Вітаю! Прошу Вас підказати, чи існують які-небудь добавки, за допомогою яких можна збільшити в'язкість води? Ситуація наступна - є стіна, облицьована смугами натурального граніту. На ськолах граніту краплі води відриваються від стіни, і летять під кутом вниз на підлогу. Чи можна якось згустити воду так, щоб вона не відривалася від стіни?
Проблемами в'язкості і внутрішнього тертя рідин одним з перших займався французький фізик Кулон. Потім цими проблемами займалися Мейер, Кеніг, Гельмгольц, Піотровський та інші.
З фізичної точки зору в'язкість рідини - властивість рідини чинити опір пересуванню її частинок і характеризує ступінь її плинності і рухливості. У загальному випадку в'язкість є властивістю рідини, що рухається і в стані спокою не виявляється. В'язкість зумовлює появу сил опору при русі рідини. Ці сили називаються силами внутрішнього тертя, або силами в'язкості.
Наявність сил внутрішнього тертя рідини, що рухається вперше встановив Ньютон; згодом український вчений В. Н. Петров в 1888 р привів математичний вираз для сили тертя. З точки зору молекулярної теорії в'язкість пояснюється як рухом молекул, так і наявністю молекулярних сил. У рідинах, де відстань між окремими частинками багато менше, ніж в газах, першорядну роль відіграє міжмолекулярної взаємодії.
Теорія всіх цих методів призводить до дуже складних формул, що нагадує формули витікання рідин через тонкі трубки. Ці розрахунки дали для коефіцієнта внутрішнього тертя води при 20 ° число, дуже близьке до знайденого Пуазейль (0,01009), а саме 0,01014.
Динамічна в'язкість рідини η визначається за методом Стокса зі спостережень за рухом кульки у воді. На кульку, що падає в рідині, діє сила тяжіння Fт, сила Архімеда Fа і сила внутрішнього тертя Fсопр. Внаслідок цього при деякій швидкості руху кульки його сила тяжіння повністю врівноважується силою в'язкості і силою Архімеда. З цього моменту рух кульки буде рівномірним. Залежність між силами, що діють на кульку при його сталому рівномірному русі, виражається рівністю Fт = Fа + Fсопр .. звідки Fсопр = Fт Fа. але Fт = mg = 4πr 3 ρg / 3, де m - маса кульки, r - його радіус, ρ - густина кульки. Fа = mж g = 4πr 3 ρж g / 3, де mж - маса рідини в обсязі кульки, ρж - щільність рідини. Англійський вчений Стокс показав, що сила в'язкості, що виникає при русі кульки в рідині (Fсопр), визначається формулою Fсопр = 6πrηυ, де υ - швидкість кульки, η - значення в'язкості.
Графік залежності в'язкості води від температури показаний нижче:
З графіка залежності в'язкості води від температури видно, що з підвищенням температури води її в'язкість зменшується. Чим же це викликано? З курсу хімії відомо, що взаємодія між молекулами рідини викликано в основному водневими зв'язками (вода, аміак, фтороводород) і силами Ван-дер-Ваальса. Сили Ван-дер-Ваальса - це сили тяжіння між молекулами речовини в газоподібному, рідкому і кристалічному станах, вони можуть виникати між полярними, неполярними, а також полярними і неполярними молекулами. Сили взаємодії між молекулами рідини значно більше в порівнянні з силами, що діють в газах. Сили взаємодії між молекулами рідини залежать від її хімічної природи. Чим більше полярні молекули рідини, тим сильніше взаємодія між молекулами і тим ближче за будовою і поведінки рідина до кристалу. Міжмолекулярні взаємодії проявляються і між неполярними молекулами. Якби між молекулами води діяли тільки Вандер Ваальсових сили взаємного тяжіння, вода замерзала б при Т = - 90 о С, а закипала б при Т = +80 о С; при дії водневих зв'язків, що створюють асоціації молекул Т замерзання 0 ° С і кипіння Т = + 100 о С.
При підвищенні температури водневі зв'язки між молекулами води слабшають, значить зменшується взаємодія між молекулами води, а отже і сила внутрішнього тертя, але головна причина цього явища полягає в іншому. В'язкість води обумовлена міжмолекулярним взаємодією її шарів, в результаті якого з шару в шар молекулами переноситься імпульс mυ, де υ - швидкість руху молекул, m - маса молекул води. З ростом температури міжмолекулярні взаємодії послаблюються через теплового розширення рідини і збільшення міжмолекулярних відстаней, а також через збільшення рухливості молекул води; внаслідок цього в'язкість зменшується. Міжмолекулярної взаємодії обмежує рухливість молекул. У рідини молекула може проникнути в сусідній шар лише при утворенні в ньому порожнини, достатньої для перескакування туди молекули. На утворення порожнини (на «розпушування» рідини) витрачається так звана енергія активації в'язкої течії. Енергія активації зменшується з ростом температури. У цьому полягає одна з причин різкого зниження в'язкості рідин з підвищенням температури.
Табл. 1. Динамічна в'язкість води при різних температурах *
* Дані наведені з - "Лабораторні роботи та завдання з колоїдної хімії. / Под ред. Ю.Г. Фролова і А.С. гродських. М. Хімія. 1986. 216с."
Для води коефіцієнт динамічної внутрішнього тертя при 0 ° дорівнює 0,081, а при 70 ° 0,0042 або, кажучи іншими словами якщо в'язкість води при 0 ° вимірюється числом 100, то при температурі 70 ° в'язкість води виражається числом 23,5. Для прикладу в'язкість ртуті при 3400 ° (точка кипіння ртуті) майже вдвічі менше її в'язкості при 0 °. Але особливо сильно змінюється з температурою в'язкість деяких рослинних масел: для мигдалевого масла, при нагріванні його від 20 ° до 80 °, в'язкість зменшується в 6,5 разів, для оливкового масла - від 20 ° до 80 ° в'язкість зменшується з лишком в 7 разів . Звідси найпростішим рішенням вашої проблеми може бути використання холодної води при температурах, близьких до 0 °. Крім того, існують водорозчинні синтетичні і природні полімери, що підвищують в'язкість води. За хімічним складом вони включають ефіри целюлози, желатинізовані крохмалі, оксиди поліетилену, альгінати, Поліакріламіди, полімери карбоксівініла і вініловий спирт. З підручних засобів для підвищення в'язкості води в неї можна додати і мило, і крохмаль, і клей, і луг.
З повагою, к.х.н. О. В. Мосін