Вязкость

Одним из характерных свойств жидкостей (в том числе и расплавленных солей) является текучесть. При пере­мещении одного слоя жидкости относительно другого оказывается сопротивление, мерой которого является величина коэффициента вязкости или, другими словами, внутреннего трения. Вязкость есть физическая величина, определяемая как

(94)

где F – внешняя сила, прилагаемая к слою жидкости площадью S, Н; η - коэффициент динамической вязкости или просто вязкость – сила, которую необходимо приложить к слою жидкости площадью S, чтобы сообщить ей скорость в 1 м/с по отношению к другому, параллельному слою, отстоящему от него на расстоянии 1 м, Н·с/м² = Па·с = П (1 Пуаз, причем 1 Па·с = 10 П); S – площадь смещающегося слоя, м²; - градиент скорости сдвига, 1/с.

Следовательно, динамическую вязкость можно определить как:

(95)

Но если есть динамическая вязкость, то есть и кинематическая вязкость (ν):

(96)

где ρ – плотность жидкости. ν = [м²/с] или Ст (стокс),

1 Ст = 10^-4 м²/с.

Величина, обратная вязкости, называется текучестью (единицы измерения – [Па^-1·с^-1]). Жидкотекучесть – одна из важнейших технологических характеристик жидкости, в частности, именно она определяет способность жидких металлов или сплавов заполнять литейную форму. Вязкость относится к числу свойств, весьма чувствии­тельных к структурным изменениям в жидкости. Вязкость необходимо знать при оценке массо- и теплопереноса в реакторах и электролизерах. В зависимости от типа химической связи молекул (атомов) в жидкости, от анионно-катионного состава вязкость может меняться на несколько порядков.

Зависимость вязкости от температуры в справочной литературе выражается следующим образом:

(97)

или

(98)

где a, b, c, d, , постоянные величины, определяемые на основании экспериментальных данных. - энергия активации вязкого течения.

Прологарифмировав выражение 98, получим:

(99)

где А и В – постоянные величины для изучаемого интервала температур.

Повышение температуры жидкости приводит к ослаблению сил межслойного взаимодействия и, тем самым, снижает вязкость. Наиболее резкое изменение вязкости происходит при температурах, близких к температуре плавления, что объясняется изменение в структуре жидкости. По виду диаграмм состояния можно предположить о характере изменения вязкости в системе.

На примере расплавов галогенидов щелочных металлов видно (а это – типичные ионные жидкости), что, за исключением, фторидов, вязкость МеГа мало меняется при изменении катионного состава, хотя имеется некоторая тенденция к увеличению вязкости с ростом радиуса катиона. Однако, с увеличением размера галогенид-иона наблюдается уменьшение вязкости.

Понятие вязкости позволяет сделать заключение о наличии в расплавленных солях, кроме элементарных частиц, сложных группировок, вероятность образования которых напрямую зависит от силы взаимодействия катионов и анионов. Добавление к хлоридам щелочных металлов хлоридов поливалентных металлов ведет к значительному увеличению вязкости солевых смесей. Наблюдаемые отрицательные отклонения значений вязкости от расчетных значений больше, чем у смесей хлоридов щелочных металлов.

В смесях с отличающимися анионами (МеХ – МеУ) реальная вязкость отклоняется от расчетной в сторону меньших значений. Эти отклонения растут с ростом разности между радиусами анионов, причем тем сильнее, чем меньше размер общего катиона.

Таблица 2

Физико-химические параметры некоторых солей.

соль	, м	, Па·с	, кДж/моль
CsCl	1.65	0.70	23.8
BaCl2	1.43	3.83	48.5
LaCl3	1.22	3.97	61.7

Рис.5 Зависимости вязкости от состава расплавов.

Для системы с невзаимодействующими компонентами изотермы вязкости немного выпуклы к оси состава. Если в системе образуется конгруэнтно плавящееся соединение, то на изотермах вязкости могут быть сингулярные максимумы.

Существует зависимость вязкости жидкости от ее удельного объема (уравнение А.И. Бачинского):

(100)

где С, ω – постоянные для каждой жидкости величины в определенном интервале температур; υ – удельный объем жидкости.

Данное уравнение хорошо выполняется для ионных жидкостей, в этом случае наблюдается линейная зависимость величины 1/η от υ. Величина ω обычно принимает смысл объема, занимаемого частицами жидкости. Разность (υ - ω) отождествляется со «свободным объемом». Для расплавленных галогенидов щелочных металлов величина ω составляет порядка 85..95 % удельного объема при температурах плавления. Процесс плавления для солей этого класса сопровождается увеличением объема примерно на 15..30 %. Уравнение Бачинского справедливо, если вместо удельного объема пользоваться мольным объемом жидкости V_m.