Демонстрационная установка «Вязкость газов» ФДМТ-05 (рис. 5) обеспечивает наглядную демонстрацию наличия внутреннего трения (вязкости) в газах – вращение диска, подвешенного горизонтально на нитях при вращении диска, закрепленного на валу электродвигателя и установленного соосно на некотором расстоянии от первого (между дисками – воздух).
Установка предназначена для проведения демонстраций на лекциях по курсу «Физика», раздел «Молекулярная физика и термодинамика», а также может быть использована на лекциях по курсу «Техническая физика».
Рис. 5
Основные технические характеристики демонстрационной установки «Вязкость газов» ФДМТ-05 представлены в табл.2.
Таблица 2
| Электропитание от источника постоянного тока типа Б5-46 | напряжение, В | от 0 до 24 |
| сила тока, А | не более 2,3 | |
| частота оборотов электродвигателя, об/мин | ||
| Габаритные размеры установки, мм | длина | |
| ширина | ||
| высота | ||
| Масса, кг | ||
| Диаметр дисков, мм |
Явления переноса – это процессы установления равновесия в системе путём переноса массы (диффузия), энергии (теплопроводность) и импульса молекул (внутреннее трение или динамическая вязкость).
В явлении вязкости наблюдается перенос импульса от более быстрых участков потока к менее быстрым. При течении газа или жидкости, например, внутри трубы, скорости слоев различны: их распределение при ламинарном течении показано на рис. 6 (длина стрелки показывает скорость данного слоя).
Рис. 6
Причиной этого является хаотическое тепловое движение молекул, при котором они непрерывно переходят из слоя в слой и в соударениях с другими молекулами обмениваются импульсами. Так, молекулы второго слоя, попадая в слой 1, переносят свой импульс направленного движения 
, а в слой 2 приходят молекулы с меньшим импульсом 
. В результате второй слой тормозится, а первый – ускоряется.
Опыт показывает, что импульс d p, передаваемый от слоя к слою через поверхность S, пропорционален градиенту скорости d u /d x, площади S и времени переноса d t:
.
В результате между слоями возникает сила внутреннего трения (закон Ньютона)
где h – коэффициент вязкости среды.
Для идеального газа коэффициент вязкости
Средняя длина свободного пробега молекул
,
где k = 1,38×10–23 Дж/К – постоянная Больцмана; d – эффективный диаметр молекул (для воздуха d @ 4×10–10 м); Т, Р – температура и давление газа.
Средняя скорость теплового движения молекул
,
где R = 8,31 Дж/моль×К – универсальная газовая постоянная;М – масса одного моля газа (для воздуха М = 28,9 г/моль).
Демонстрация наличия внутреннего трения (вязкости) в газах.
1. Установить на стол установку. Подсоединить источник питания Б5-46 при помощи проводов к клеммам установки. Диск, подвешенный на нитях, выставить параллельно нижнему диску на расстоянии 10–15 мм.
2. Включить источник питания и начать плавно увеличивать число оборотов электродвигателя. При вращении диска, установленного на валу электродвигателя, в результате внутреннего трения приходит в движение воздух между дисками, увлекая за собой верхний диск – наблюдается вращение верхнего диска.