Номер 4, страница 55 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

4. Как влияет температура на вязкость жидкости?

4. Как влияет температура на вязкость жидкости?

Влияние температуры на вязкость жидкости является одним из фундаментальных свойств жидкостей и имеет огромное практическое значение. В общем случае, для жидкостей вязкость уменьшается с ростом температуры. Это явление можно объяснить на молекулярном уровне, а также описать математически.

Молекулярный механизм

Вязкость, или внутреннее трение, в жидкостях возникает в основном из-за сил межмолекулярного сцепления (когезионных сил). Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении, но при этом силы притяжения удерживают их на относительно близких расстояниях друг от друга. Когда один слой жидкости движется относительно другого, этим силам необходимо противостоять, что и создает сопротивление течению.

При повышении температуры жидкости в нее поступает тепловая энергия. Эта энергия увеличивает кинетическую энергию ее молекул. В результате молекулы начинают двигаться быстрее и интенсивнее. Эта дополнительная энергия позволяет молекулам легче и чаще преодолевать силы межмолекулярного притяжения. Расстояние между молекулами в среднем немного увеличивается, связи ослабевают, и слоям жидкости становится легче скользить друг относительно друга. Как следствие, общее сопротивление течению, то есть вязкость, снижается.

Хорошим примером из повседневной жизни является мёд. В холодном состоянии он очень густой и вязкий, и его трудно налить. При нагревании мёд становится значительно более жидким и текучим.

Математическое описание

Зависимость динамической вязкости $ \eta $ от абсолютной температуры $ T $ для многих жидкостей хорошо описывается уравнением Аррениуса-Френкеля:

$ \eta = \eta_0 e^{\frac{E_a}{RT}} $

где:

$ \eta_0 $ — предэкспоненциальный множитель, константа для данной жидкости;

$ E_a $ — энергия активации вязкого течения, характеризующая энергию, которую необходимо сообщить молекулам для преодоления межмолекулярных сил;

$ R $ — универсальная газовая постоянная;

$ T $ — абсолютная температура в Кельвинах.

Из этой формулы видно, что температура $ T $ находится в знаменателе показателя экспоненты. Таким образом, при увеличении температуры $ T $ дробь $ \frac{E_a}{RT} $ уменьшается. Поскольку это показатель степени с положительным знаком, уменьшение этого показателя ведет к экспоненциальному снижению значения вязкости $ \eta $.

Сравнение с газами

Следует отметить, что для газов наблюдается противоположная зависимость: их вязкость с ростом температуры увеличивается. Это объясняется тем, что в газах молекулы находятся далеко друг от друга и силы притяжения пренебрежимо малы. Вязкость газов обусловлена передачей импульса от более быстрых слоев к более медленным при столкновении молекул. С ростом температуры скорость молекул увеличивается, столкновения становятся чаще и энергичнее, что приводит к более эффективной передаче импульса и, следовательно, к увеличению вязкости.

Ответ: С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается. Это происходит потому, что увеличение кинетической энергии молекул позволяет им легче преодолевать силы межмолекулярного притяжения, которые и являются основной причиной вязкости в жидкостях.