Вязкость жидкости может быть измерена несколькими способами с помощью устройств, называемых вискозиметрами. Такие приборы измеряют время, затраченное веществом на перемещение или время необходимое объекту с заданным размером и плотностью пройти через жидкость. Единицами измерения для этого параметра является Паскаль в квадрате.

Факторы, влияющие на вязкость

Как правило, жидкости, состоящие из больших молекул, будут иметь более высокую вязкость. Это особенно хорошо проявляется на примере длинных цепочечных веществ, которые являются полимерами или более тяжелыми углеводородными соединениями. Такие молекулы, как правило, перекрывают друг с друга, препятствуя движению через них.

Другим важным фактором является то, как молекулы взаимодействуют друг с другом. Полярные соединения могут образовывать водородные связи, которые удерживают отдельные молекулы вместе, увеличивая общее сопротивление потоку или движению. Хотя молекула воды и является полярной, она имеет низкую вязкость в связи с тем, что ее молекулы достаточно малы. Наиболее вязкие жидкости, как правило, те, которые имеют растянутые молекулы или сильную полярность. Примерами могут служить глицерин и пропиленгликоль.

Температура оказывает большое влияние на вязкость. Измерения свойств жидкостей всегда даются в зависимости от температуры. В жидкостях вязкость уменьшается с ростом температуры. Это можно видеть при нагревании сиропа или меда. Так происходит потому, что молекулы движутся быстрее и, следовательно, меньше времени контактируют друг с другом. Вязкость газов, напротив, увеличивается с ростом температуры. Это происходит потому, что молекулы движутся быстрее и происходит больше столкновений между ними. Таким образом увеличивается плотность потока.

Важность для промышленности

Сырая нефть часто перемещается на большие расстояния между регионами с разной температурой. Поэтому скорость потока и давление меняется с течением времени. Нефть, которая течет через Сибирь, является более вязкой, в трубопроводах Персидского залива. В связи с отличиями в температуре внешней среды разными должны быть и давления в трубах, чтобы заставлять ее течь. Для решения этой проблемы в трубы сначала заливается специальное масло, которое обладает практически нулевым коэффициентом внутреннего сопротивления. Таким способом ограничивается контакт нефти с внутренней поверхностью труб. Вязкость масла также меняется при перепаде температуры. Чтобы улучшить его характеристики в масло добавляют полимеры, которые препятствуют его загустению и смешиванию

ВЯЗКОСТЬ - внутреннее трение, проявляющееся при наличии относительного движения соседних слоев жидкости или газа и зависящее от сил сцепления между молекулами. Если через s обозначить площадь соприкосновения двух параллельных перемещающихся слоев, а через v - скорость перемещения слоя, то сила f взаимодействия между слоями выразится формулой:

здесь есть градиент скорости в направлении, перпендикулярном плоскости s, а η есть вязкость, или коэффициент внутреннего трения.

Единицы измерения

Эта абсолютная единица вязкости называется пуазом . Обычно применяют величину в 100 раз меньшую - центипуаз , что особенно удобно для измерительных целей, так как ему равна абсолютная вязкость воды при 20,5°. Для некоторых веществ (применяемых при калибровании) абсолютные вязкости при давлении 760 мм - таковы:

Из жидкостей при 15° одной из наименьших наблюденных вязкостей обладает жидкая СО 2 (в критическом состоянии в 50 раз меньше вязкости воды); весьма большой вязкостью обладают касторовое масло и глицерин: при 2,8° вязкость последнего в 2500 раз больше вязкости воды при той же температуре. Еще выше вязкость крепких растворов сахара в глицерине (в 100000 раз больше вязкости воды) и вязкость расплавленного стекла.

Величина, обратная абсолютной вязкости, называется текучестью (нем. Fluiditat) и обозначается через ϕ; ϕ = 1/η. Эрк предлагает абсолютную вязкость называть динамической , в отличие от т. н. кинематической . Последняя получается делением абсолютной вязкости тела на его удельный вес D и обозначается через ν или V k , причем V k = 100ν и выражается в кинематических центипуазах. Ее размерность: см 2 /сек. Т. о. V k = η/D. Удельная вязкость представляет собой отношение вязкости измеряемой жидкости к вязкости воды при 0°:

Все эти единицы вязкости находят применение почти исключительно при научных исследованиях, и только удельной вязкостью пользуются иногда в технике. На практике чаще всего применяют условные единицы: градусы Энглера , секунды Сейболта или Редвуда или градусы Барбье (см. Вязкость масел), последняя величина, собственно, служит выражением текучести.

Измерение вязкости производится в приборах, называемых вискозиметрами . Устройство их основано на следующих принципах: 1) качание помещенного в жидкость твердого тела, поворачивающегося на прикрепленной к его центру проволоке (способ Кулона); 2) падение твердого тела в вязкой жидкости (способ Джонса, основанный на формуле Стокса); 3) вращение тела в жидкости или вращение жидкости в сосуде (торсионный способ); 4) истечений вязкой жидкости из капиллярных трубок (способ Пуазейля). Последний способ основан на следующем законе Пуазейля: если под давлением (р) из капилляра длиной (I) и радиуса (r) за время (t) протечет объем жидкости (v), то

Для точных измерений употребляют обычно приборы Оствальда или Уббелоде. Применяемые капилляры должны быть строго цилиндричны, с возможно одинаковым диаметром по всей длине. В вискозиметре Оствальда (фиг. 1, А) измеряется время истечения точно измеренного (между метками c и d) объема жидкости под давлением собственного веса.

Высота ее и, следовательно, давление постепенно меняются; это служит причиной некоторой неточности, так как для жидкостей с разным удельным весом это изменение давлений будет различно. В вискозиметре Уббелоде (фиг. 1, Б) истечение производится посредством определенного давления воздуха; при этом, кроме измерительного шарика b, откуда вытекает жидкость, имеется совершенно одинаковый компенсирующий шарик b", куда жидкость поступает по мере истечения ее из b. Т. о., если в начале давление было Р возд. +Р жидк. , то к концу оно будет Р возд. -Р жидк. , т. е. избыток давления (р) в начале опыта компенсируется недостатком давления, тоже (р), в конце опыта, и давление истечения в среднем будет равно (Р). Технические приборы основаны на измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости в условиях строгого постоянства температуры во время опыта. Все они определяют кинематическую вязкость в условных градусах и м. б. переведены в абсолютную кинематическую вязкость по общей формуле Фогеля, пригодной для всех вискозиметров, в которых истечение происходит под влиянием собственной тяжести жидкости:

где а - константа аппарата, зависящая от размеров капилляра, а τ - отношение времени истечения вязкой жидкости и воды при 20,5°.

(фиг. 2) имеет следующее устройство.

Измерительный сосуд (а) - цилиндроконический латунный резервуар с крышкой, в которую вставляется термометр (с) для исследуемой жидкости и штифт (b), закрывающий трубку для истечения (с платиновой обкладкой). Внутри сосуда на стенках - три крючка для установления уровня наполнения сосуда; f - термостатический, также латунный, сосуд с мешалкой d; е - ручка мешалки. Перед началом опыта сосуд (а) и особенно трубка для истечения тщательно промываются и высушиваются, (f) заполняется водой (или маслом - для измерения при 100° и выше), которая доводится до желательной температуры. Измерительный сосуд (а), при закрытом штифтом отверстии, заполняется испытуемой жидкостью до крючков и накрывается крышкой. Когда температура жидкости дошла до необходимой высоты (в термостате температура д. б. на 0,5-3,0° выше, в зависимости от температуры измерения), поднимают штифт b. Жидкость начинает вытекать в подставленную мерную колбу. Одновременно пускают секундомер и останавливают его, когда жидкость в колбе достигнет деления 200 см 3 .

(фиг. 3) состоит из измерительного посеребренного латунного сосуда А с отверстием для истечения В, закрываемым шариком палочки С; D - четыре крыла и Е - ручка мешалки, представляющей собой латунный сосуд, вращающийся вокруг измерительного вместе с термометром F; G - водяная баня со спускным краном Н и насадкой для подогрева I.

Прибор устанавливается по ватерпасу посредством установочных винтов треножника. При закрытом отверстии В наливается масло, чтобы при температуре опыта, показываемой термометром F 1 , оно достигло конца крючка К. Операции - те же, что и в приборе Энглера, причем измеряется время истечения 50 см 3 жидкости.

(фиг. 4) состоит из бани, снабженной приборами для нагревания (обычно электрической грелкой, газовой горелкой или паровым змеевиком).

Измерительный сосуд укрепляется в крышке, которую для перемешивания можно поворачивать в бане посредством рычагов. Измерительный сосуд (а) представляет цилиндр; уровень жидкости в нем устанавливается автоматически, так как он снабжен закраинами, куда переливается избыток жидкости. Перед наполнением нижнее отверстие закрывается пробкой (b). Тогда между пробкой и капилляром образуется воздушная пробка, мешающая вытеканию жидкости, пока корковая пробка на месте. Определяется истечение 60 см 3 жидкости.

В вискозиметрах Энглера, Редвуда и Сейболта уровень жидкости во время измерения меняется. В иксометре Барбье (фиг. 5) истечение происходит при постоянном давлении.

Он представляет собой трубку В (8 мм диаметром), соединенную посредством трубки С с трубкой А (5 мм диаметром). Внутри А концентрически вставлена стальная палочка (а) (точно 4 мм диаметром). Истечение через трубочку D в градуированную бюретку К происходит под давлением столба жидкости в 100 мм (разность уровней между нижними точками начала трубок D и F у воронки G, куда жидкость постепенно поступает из воронки-резервуара Н).

Кроме описанных, за последнее время в технику начали проникать вискозиметры, основанные на других принципах. Все технические вискозиметры применяются преимущественно при исследовании масел, нефтепродуктов, а также коллоидов.

Влияние температуры на вязкость очень велико. Вязкость жидкостей сильно падает с температурой и тем быстрее, чем выше величина вязкости. Известна лишь одна аномалия: вязкость воды между 4 и 5° немного возрастает. Общей формулы зависимости вязкости от температуры не существует. В простейшем случае вязкость падает обратно пропорционально температуре: η = а/Т, т. е. текучесть растет пропорционально температуре: ϕ = а"∙Т, что и было показано Бачинским для ртути; обычно, однако, зависимость сложнее; хорошо применима, особенно к нормальным неассоциированным жидкостям, такая формула Бачинского: η = а/Т 2 . Для неассоциированных жидкостей общей зависимостью вязкости от температуры является формула Бачинского (1913 г.):

где V - молекулярный объем при данной температуре, с, w - константы, особые для каждой жидкости, причем w соответствует константе b в формуле Ван-дер-Ваальса, т. е. связана с размещением свободного пространства между молекулами (V-w); V меняется с температурой, в зависимости от чего меняется и η. Денн (1927 г.) предложил формулу, хорошо согласующуюся с данными для многих веществ различных классов, но еще не подвергнутую широкой проверке:

где А и Q - константы. Денн выводит формулу из основных положений учения о диффузии. Примером влияния V на вязкость может служить касторовое масло (в пуазах):

Влияние давления на вязкость значительно меньше, что объясняется меньшим влиянием его на изменение свободного пространства между молекулами. Вязкость несколько возрастает с повышением давления, притом тем быстрее, чем сложнее молекула. Исключением является вода, у которой при температуре ниже 25° с повышением давления вязкость слегка падает. Пример

Вязкость растворов и смесей . Вязкость водных растворов бывает иногда выше, иногда ниже вязкости воды, например, вязкость растворов галоидных и азотнокислых солей калия и аммония при низких температурах меньше, при высоких - больше вязкости чистой воды.

В случае однородных смесей двух нормальных жидкостей текучесть ϕ = 1/η обладает аддитивностью, как показал Бачинский, исходя из своего закона и основываясь главн. обр. на экспериментальном материале Торпе и Роджерса. Из формулы Бачинского: ϕ = k(V-w) видно, что собственно не вязкость, а обратная величина – текучесть - аддитивна для жидкой смеси, если концентрацию выражать не в весовых, а в объемных %; если же сжатие при смешении не велико, она сводится лишь к изменению объема w, «занятого молекулами». При этом, если для смеси написать зависимость от Т (через V), то в ней w будет аддитивно слагаться из значения w для чистых компонентов смеси, константа же k (=1/c) связана с концентрацией значительно более сложной зависимостью. Изменение константы с, являющейся мерой межмолекулярных сил, с концентрацией смеси может служить для отыскания образующихся в смеси химических соединений компонентов. Связь между вязкостью и химическим строением жидкости была гл. обр. изучена Торпе и Роджерсом (1894 г.) на большом экспериментальном материале. Оказалось, что текучесть ϕ или выражение ηМ/D, т. е. молекулярная кинематическая вязкость (М - молекулярный вес), м. б. аддитивно вычислены из постоянных значений для отдельных групп атомов и других элементов структуры, например, двойных связей, входящих в молекулу; так, при введении в молекулу одной группы СН 2 , т. е. при переходе в гомологическом ряду от одного члена к последующему, ηМ/D возрастает на 0,08 абсолютных единиц. В противоположность неассоциированным жидкостям (углеводороды, галоидопроизводные и др.), у жидкостей ассоциированных текучесть ϕ и ηМ/D не слагаются аддитивно из значений для компонентов молекулы. Уклонения от аддитивности могут служить для вычисления факторов ассоциации . Вальден показал, что произведение из предельной эквивалентной электропроводности μ ∞ данного электролита (при бесконечном разведении) на вязкость растворителя η ∞ есть постоянная, не зависящая от природы растворителя:

Величина Const не зависит также и от температуры, как было показано Вальденом и Сахановым. При расчетах степени диссоциации α электролита по данным электропроводности надо вводить поправку на вязкость:

здесь η и μ относятся к данному раствору, а η ∞ и μ ∞ - к бесконечному разведению.

Вязкость коллоидов , например, эмульсий, зависит не только от природы среды и дисперсной фазы, но и от эмульгатора. С повышением содержания дисперсной фазы вязкость обычно повышается тем сильнее, чем больше степень дисперсности. Вязкость эмульсий обычно вычисляется по формуле Эйнштейна:

где η - вязкость эмульсии, η 0 - вязкость дисперсионной среды и V - объем глобул в единице объема эмульсии.

Применение вязкости . В теории - для изучения молекулярного строения жидкостей, их ассоциации, строения коллоидов; в практических областях - как один из физических методов анализа в чистой и прикладной химии, при решении гидродинамических вопросов вообще, в частности - турбулентного движения, скорости распределения потоков, падения давления в гладких и шероховатых трубах, при расчете трубопроводов и особенно нефтепроводов. Большое значение вязкость имеет в области теплопередачи, так как она в сильной степени зависит от движения струй, которые, в свою очередь, связаны с вязкостью. Наконец, в области учения о смазке и при оценке нефтепродуктов часто пользуются определениями вязкости.

Для быстрого нахождения вязкости смесей двух минеральных масел любой вязкости от 2 до 50 °Е весьма удобна вискограмма Молина (фиг. 6), на которой А обозначает вязкость в °Е одного из смешиваемых масел, а объемный % его в смеси указан в верхней части вискограммы; В - вязкость другого смешиваемого масла, и объемный % его в смеси указан в нижней части вискограммы. Вискограмма применима при любой температуре, но одинаковой как для смешиваемых масел, так и для их смеси. Ею пользуются следующим образом.

1. Нахождение вязкости смеси масел , когда даны их вязкости и % содержания в смеси . Пример . Масло А с вязкостью 35°Е-30%; масло В с вязкостью в 6,5°Е-70%. Натягивают нитку между точками, отвечающими «35» по левой вертикальной линии и «6,5» - по правой. Пересечение нитки с вертикальной линией «30% А» (или «70% В») происходит на горизонтали «10,1». Искомая вязкость смеси равна 10,1 °Е.

2. Нахождение соотношения смешиваемых масел по заданным вязкостям компонентов и их смеси . Пример . Из масел с вязкостью 25°Е и 5°Е составить смесь с вязкостью 6,6°Е. Нитку протягивают между точками «25» на вертикали А и «5,0» на вертикали В. Точка ее пересечения с горизонталью «6,6» отвечает «20% А». Для приготовления смеси надо взять 20% масла А.

3. Нахождение вязкости одного из масел по заданным вязкостям смеси, другого масла и содержанию последнего в смеси . Пример . Составить смесь с вязкостью 5°Е из масла с вязкостью 3,0°Е, при содержании его в смеси - 60%. Нитку протягивают от точки «3,0» вертикали А так, чтобы она пересекла вертикаль «60% А» в месте ее пересечения с горизонталью «5,0». Вертикаль В нитка пересекает в точке «16». Другой компонент (40%) должен иметь вязкость 16°Е. Нитку надо натягивать тщательно. Вместо нитки можно употреблять правильную линейку. При соблюдении этих условий и тщательности установки и отсчета точек расхождение с таблицами Молина-Гурвича не превышает 1% от определяемой величины.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вязкостью называют один из видов явлений переноса. Она связана со свойством текучих веществ (газов и жидкостей), сопротивляться перемещению одного слоя относительно другого. Это явление вызывается движением частиц, которые составляют вещество.

Выделяют динамическую вязкость и кинематическую.

Рассмотрим движение газа, обладающего вязкостью как перемещение плоских параллельных слоев. Будем считать, что изменение скорости движения вещества происходит по направлению оси X, которая перпендикулярна к направлению скорости движения газа (рис.1).

В направлении оси Y скорость движения во всех точках одинакова. Значит, скорость является функцией . В таком случае, модуль силы трения между слоями газа (F), которая действует на единицу площади поверхности, которая разделяет два соседних слоя, описывается уравнением:

где — градиент скорости () по оси X. Ось X перепендикулярна направлению движения слоев вещества (рис.1).

Определение

Коэффициент (), входящий в уравнение (1) называется коэффициентом динамической вязкости (коэффициентом внутреннего трения). Он зависит от свойств газа (жидкости). численно равен количеству движения, которое переносится в единицу времени через площадку единичной площади при градиенте скорости равном единице, в направлении перпендикулярном площадке. Или численно равен силе, которая действует на единицу площади при градиенте скорости, равном единице.

Внутренне трение — причина того, что для течения газа (жидкости) сквозь трубу необходима разность давлений. При этом, чем больше коэффициент вязкости вещества, тем больше должна быть разность давлений для придания заданной скорости течению.

Коэффициент кинематической вязкости обычно, обозначают . Он равен:

где — плотность газа (жидкости).

Коэффициент внутреннего трения газа

В соответствии с кинетической теорией газов коэффициент вязкости можно вычислить при помощи формулы:

где — средняя скорость теплового движения молекул газа, — средняя длина свободного пробега молекулы. Выражение (3) показывает, что при низом давлении (разреженный газ) вязкость почти не зависит от давления, так как Но такой вывод справедлив до момента, пока отношение длины свободного пробега молекулы к линейным размерам сосуда не станет приблизительно равным единице. При увеличении температуры вязкость газов обычно растет, так как

Коэффициент вязкости жидкостей

Считая, что коэффициент вязкости определен силами взаимодействия молекул вещества, которые зависят от среднего расстояния между ними, то коэффициент вязкости определяют экспериментальной формулой Бачинского:

где — молярный объем жидкости, А и B — постоянные величины.

Вязкость жидкостей с ростом температуры уменьшается, при увеличении давления растет.

Формула Пуазейля

Коэффициент вязкости входит в формулу, которая устанавливает зависимость между объемом (V) газа, который протекает в единицу времени через сечение трубы и необходимой для этого разностью давлений ():

где — длина трубы, — радиус трубы.

Число Рейнольдса

Характер движения газа (жидкости) определяется безразмерным числом Рейнольдса ():

— величина, которая характеризует линейные размеры тела, обтекаемого жидкостью (газом).

Единицы измерения коэффициента вязкости

Основной единицей измерения коэффициента динамической вязкости в системе СИ является:

1Па c=10 пуаз

Основной единицей измерения коэффициента кинематической вязкости в системе СИ является:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Динамически вязкость воды равна Па с. Какая величина предельного диаметра трубы позволит течению воды остаться ламинарным, если за 1 с через поперечное сечение вытекает объем воды равный ?
Решение	Условие ламинарности течения жидкости имеет вид: Где число Рейнольдса найдем по формуле: Скорость течения воды найдем как: В выражении (1.3) — высота водяного цилиндра, имеющего объем : По условию =1 с. Подставим в выражение для числа Рейнольдса скорость (1.4), имеем: Плотность воды при н.у. кг/м 3 . Проведем вычисления, получим:
Ответ	м

ПРИМЕР 2

Задание	Шарик, имеющий плотность и диаметр d всплывает в жидкости плотности со скоростью . Какова кинематическая вязкость жидкости?
Решение	Сделаем рисунок.

Коэффициент вязкости - это ключевой параметр рабочей жидкости либо газа. В физических терминах вязкость может быть определена как внутреннее трение, вызываемое движением частиц, составляющих массу жидкой (газообразной) среды, или, более просто, сопротивлением движению.

Что такое вязкость

Простейший определения вязкости: на гладкую наклонную поверхность одновременно выливают одинаковое количество воды и масла. Вода стекает быстрее масла. Она более текучая. Движущемуся маслу мешает быстро стекать более высокое трение между его молекулами (внутреннее сопротивление - вязкость). Таким образом, вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести.

Коэффициент вязкости: формула

В упрощенном виде процесс движения вязкой жидкости в трубопроводе можно рассмотреть в виде плоских параллельных слоев А и В с одинаковой площадью поверхности S, расстояние между которыми составляет величину h.

Эти два слоя (А и В) перемещаются с различными скоростями (V и V+ΔV). Слой А, имеющий наибольшую скорость (V+ΔV), вовлекает в движение слой B, движущийся с меньшей скоростью (V). В то же время слой B стремится замедлить скорость слоя А. Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что трение молекул, представляющих собой сопротивление слоев потока, образует силу, которую описал следующей формулой:

F = µ × S × (ΔV/h)

• ΔV - разница скоростей движений слоев потока жидкости;
• h - расстояние между слоями потока жидкости;
• S - площадь поверхности слоя потока жидкости;
• μ (мю) - коэффициент, зависящий от называется абсолютной динамической вязкостью.

В единицах измерения системы СИ формула выглядит следующим образом:

µ = (F × h) / (S × ΔV) = [Па × с] (Паскаль × секунда)

Здесь F - сила тяжести объема рабочей жидкости.

Величина вязкости

В большинстве случаев коэффициент измеряется в сантипуазах (сП) в соответствии с системой единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда). На практике вязкость связана соотношением массы жидкости к ее объему, то есть с плотностью жидкости:

• ρ - плотность жидкости;
• m - масса жидкости;
• V - объем жидкости.

Отношение между динамической вязкостью (μ) и плотностью (ρ) называется кинематической вязкостью ν (ν - по-гречески - ню):

ν = μ / ρ = [м 2 /с]

Кстати, методы определения коэффициента вязкости разные. Например, кинематическая вязкость по-прежнему измеряется в соответствии с системой СГС в сантистоксах (сСт) и в дольных величинах - стоксах (Ст):

• 1Ст = 10 -4 м 2 /с = 1 см 2 /с;
• 1сСт = 10 -6 м 2 /с = 1 мм 2 /с.

Определение вязкости воды

Коэффициент вязкости воды определяется измерением времени течения жидкости через калиброванную капиллярную трубку. Это устройство калибруется с помощью стандартной жидкости известной вязкости. Для определения кинематической вязкости, измеряемой в мм 2 /с, время течения жидкости, измеряемое в секундах, умножается на постоянную величину.

В качестве единицы сравнения используется вязкость дистиллированной воды, величина которой почти постоянна даже при изменении температуры. Коэффициент вязкости - это отношение времени в секундах, которое необходимо фиксированному объему дистиллированной воды для истечения из калиброванного отверстия, к аналогичному значению для испытываемой жидкости.

Вискозиметры

Вязкость измеряется в градусах Энглера (°Е), универсальных секундах Сейболта ("SUS) или градусах Редвуда (°RJ) в зависимости от типа применяемого вискозиметра. Три типа вискозиметров отличаются только количеством вытекающей жидкой среды.

Вискозиметр, измеряющий вязкость в европейской единице градус Энглера (°Е), рассчитан на 200 см 3 вытекающий жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в универсальных секундах Сейболта ("SUS или "SSU), используемый в США, содержит 60 см 3 испытываемой жидкости. В Англии, где используются градусы Редвуда (°RJ), вискозиметр проводит измерения вязкости 50 см 3 жидкости. Например, если 200 см 3 определенного масла течет в десять раз медленнее, чем аналогичный объем воды, то вязкость по Энглеру составляет 10°Е.

Поскольку температура является ключевым фактором, изменяющим коэффициент вязкости, то измерения обычно проводятся сначала при постоянной температуре 20°С, а затем при более высоких ее значениях. Результат, таким образом, выражается путем добавления соответствующей температуры, например: 10°Е/50°С или 2,8°Е/90°С. Вязкость жидкости при 20°С выше, чем ее вязкость при более высоких температурах. Гидравлические масла имеют следующую вязкость при соответствующих температурах:

190 сСт при 20°С = 45,4 сСт при 50°С = 11,3 сСт при 100°С.

Перевод значений

Определение коэффициента вязкости происходит в разных системах (американской, английской, СГС), и поэтому часто требуется перевести данные из одной мерной системы в другую. Для перевода значений вязкости жидкости, выраженных в градусах Энглера, в сантистоксы (мм 2 /с) используют следующую эмпирическую формулу:

ν(сСт) = 7,6 × °Е × (1-1/°Е3)

Например:

• 2°Е = 7,6 × 2 × (1-1/23) =15,2 × (0,875) = 13,3 сСт;
• 9°Е = 7,6 × 9 × (1-1/93) =68,4 × (0,9986) = 68,3 сСт.

С целью быстрого определения стандартной вязкости гидравлического масла формула может быть упрощена следующим образом:

ν(сСт) = 7,6 × °Е(мм 2 /с)

Имея кинематическую вязкость ν в мм 2 /с или сСт, можно перевести ее в коэффициент динамической вязкости μ, используя следующую зависимость:

Пример. Суммируя различные формулы перевода градусов Энглера (°Е), сантистоксов (сСт) и сантипуазов (сП), предположим, что гидравлическое масло с плотностью ρ=910 кг/м 3 имеет кинематическую вязкость 12°Е, что в единицах сСт составляет:

ν = 7,6 × 12 × (1-1/123) = 91,2 × (0,99) = 90,3 мм 2 /с.

Поскольку 1сСт = 10 -6 м 2 /с и 1сП = 10 -3 Н×с/м 2 , то динамическая вязкость будет равна:

μ =ν × ρ = 90,3 × 10 -6 · 910 = 0,082 Н×с/м 2 = 82 сП.

Коэффициент вязкости газа

Он определяется составом (химическим, механическим) газа, воздействующей температурой, давлением и применяется в газодинамических расчетах, связанных с движением газа. На практике вязкость газов учитывается при проектировании разработок газовых месторождений, где ведется расчет изменений коэффициента в зависимости от изменений газового состава (особенно актуально для газоконденсатных месторождений), температуры и давления.

Рассчитаем коэффициент вязкости воздуха. Процессы будут аналогичными с рассмотренными выше двумя потоками воды. Предположим, параллельно движутся два газовых потока U1 и U2, но с разной скоростью. Между слоями будет происходить конвекция (взаимное проникновение) молекул. В итоге импульс движущегося быстрее потока воздуха будет уменьшаться, а изначально движущегося медленнее - ускоряться.

Коэффициент вязкости воздуха, согласно закону Ньютона, выражается следующей формулой:

F =-h × (dU/dZ) × S

• dU/dZ является градиентом скорости;
• S - площадь воздействия силы;
• Коэффициент h - динамическая вязкость.

Индекс вязкости

Индекс вязкости (ИВ) - это параметр, коррелирующий изменение вязкости и температуры. Корреляционная зависимость является статистической взаимосвязью, в данном случае двух величин, при которой изменение температуры сопутствует систематическому изменению вязкости. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменения между двумя величинами, то есть вязкость рабочей жидкости более стабильна при изменении температуры.

Вязкость масел

У основ современных масел индекс вязкости ниже 95-100 единиц. Поэтому в гидросистемах машин и оборудования могут использоваться достаточно стабильные рабочие жидкости, которые ограничивают широкое изменение вязкости в условиях критических температур.

«Благоприятный» коэффициент вязкости можно поддерживать введением в масло специальных присадок (полимеров), получаемых при Они повышают индекс вязкости масел за счет ограничения изменения этой характеристики в допустимом интервале. На практике при введении необходимого количества присадок низкий индекс вязкости базового масла может быть повышен до 100-105 единиц. Вместе с тем получаемая таким образом смесь ухудшает свои свойства при высоком давлении и тепловой нагрузке, снижая тем самым эффективность присадки.

В силовых контурах мощных гидросистем должны применяться рабочие жидкости с индексом вязкости 100 единиц. Рабочие жидкости с присадками, повышающими индекс вязкости, применяются в контурах гидроуправления и других системах, работающих в диапазоне низких/средних давлений, в ограниченном интервале изменения температур, с небольшими утечками и в периодическом режиме. С возрастанием давления возрастает и вязкость, но этот процесс возникает при давлениях свыше 30,0 МПа (300 бар). На практике этим фактором часто пренебрегают.

Измерение и индексация

В соответствии с международными стандартами ISO, коэффициент вязкости воды (и прочих жидких сред) выражается в сантистоксах: сСт (мм 2 /с). Измерения вязкости технологических масел должны проводиться при температурах 0°С, 40°С и 100°С. В любом случае в коде марки масла вязкость должна указываться цифрой при температуре 40°С. В ГОСТе значение вязкости дается при 50°С. Марки, наиболее часто применяемые в машиностроительной гидравлике, варьируются от ISO VG 22 до ISO VG 68.

Гидравлические масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температуре 40°С имеют значения вязкости, соответствующие их маркировке: 22, 32, 46, 68 и 100 сСт. Оптимальная кинематическая вязкость рабочей жидкости в гидросистемах лежит в диапазоне от 16 до 36 сСт.

Американское Общество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers - SAE) установило диапазоны изменения вязкости при конкретных температурах и присвоило им соответствующие коды. Цифра, следующая за буквой W, - абсолютный динамический коэффициент вязкости μ при 0°F (-17,7°С), а кинематическая вязкость ν определялась при 212°F (100°С). Эта индексация касается всесезонных масел, применяемых в автомобильной промышленности (трансмиссионные, моторные и т. д.).

Влияние вязкости на работу гидравлики

Определение коэффициента вязкости жидкости представляет не только научно-познавательный интерес, но и несет в себе важное практическое значение. В гидросистемах рабочие жидкости не только передают энергию от насоса к гидродвигателям, но также смазывают все детали компонентов и отводят выделяемое тепло от пар трения. Не соответствующая режиму работы вязкость рабочей жидкости может серьезно нарушать эффективность всей гидравлики.

Высокая вязкость рабочей жидкости (масло очень высокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:

• Повышенное сопротивление течению гидравлической жидкости вызывает излишнее падение давления в гидросистеме.
• Замедление скорости управления и механических движений исполнительных механизмов.
• Развитие кавитации в насосе.
• Нулевое или слишком низкое выделение воздуха из масла в гидробаке.
• Заметная потеря мощности (снижение КПД) гидравлики из-за высоких затрат энергии на преодоление внутреннего трения жидкости.
• Повышенный крутящий момент первичного двигателя машины, вызываемый возрастающей нагрузкой на насосе.
• Рост температуры гидравлической жидкости, порождаемый повышенным трением.

Таким образом, физический смысл коэффициента вязкости заключается в его влиянии (позитивном либо негативном) на узлы и механизмы транспортных средств, станков и оборудования.

Потеря мощности гидросистем

Низкая вязкость рабочей жидкости (масло невысокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:

• Падение объемного КПД насосов в результате возрастающих внутренних утечек.
• Возрастание внутренних утечек в гидрокомпонентах всей гидросистемы - насосах, клапанах, гидрораспределителях, гидромоторах.
• Повышенный износ качающих узлов и заклинивание насосов по причине недостаточной вязкости рабочей жидкости, необходимой для обеспечения смазки трущихся деталей.

Сжимаемость

Любая жидкость под действием давления сжимается. В отношении масел и СОЖ, используемых в машиностроительной гидравлике, эмпирически установлено, что процесс сжатия обратно пропорционален величине массы жидкости на ее объем. Величина сжатия выше для минеральных масел, значительно ниже для воды и гораздо ниже для синтетических жидкостей.

В простых гидросистемах низкого давления сжимаемость жидкости ничтожно мало влияет на уменьшение первоначального объема. Но в мощных машинах с гидроприводом высокого давления и крупными гидроцилиндрами этот процесс проявляет себя заметно. У гидравлических при давлении в 10,0 МПа (100 бар) объем уменьшается на 0,7%. При этом на изменение объема сжатия в небольшой степени влияют кинематическая вязкость и тип масла.

Вывод

Определение коэффициента вязкости позволяет прогнозировать работу оборудования и механизмов при различных условиях с учетом изменения состава жидкости либо газа, давления, температуры. Также контроль этих показателей актуален в нефтегазовой сфере, коммунальном хозяйстве, других отраслях промышленности.

Вязкостью называется способность жидкостей оказывать сопротивление усилиям, касательным к поверхности выделенного объёма, т. е. усилиям сдвига.

Пусть жидкость течёт вдоль плоской стенки (рисунок 1) слоями. Вследствие торможения со стороны стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере удаления от стенки.

Рассмотрим два слоя, движущиеся на расстоянии
друг от друга. Ввиду разности скоростей, слой B сдвигается относительно слоя A на величину
за единицу времени. Величина
абсолютный сдвиг слоя B по слою A, а– градиент скорости (относительный сдвиг или скорость деформации). Касательное напряжение, поя

Рисунок - 1

вляющееся при этом движении (сила трения, приходящаяся на единицу площади) обозначают . Зависимость между касательным напряжением и скоростью деформации записывают по аналогии с явлением сдвига в твёрдых телах в виде

(10)

или если слои находятся бесконечно близко друг к другу, то получают закон вязкостного трения Ньютона

(11)

Величина , характеризующая сопротивляемость жидкости касательному сдвигу, называется динамическим коэффициентом вязкости. В зависимости от выбора направления отсчета расстояний по нормали (от стенки рассматриваемой трубы Илии ее оси) градиент скорости может быть положительным или отрицательным. Знакв формуле (11) принимается таким, чтобы касательное напряжение было положительным.

Сила внутреннего трения в жидкости

(12)

т. е. она прямо пропорциональна динамическому коэффициенту вязкости, площади трущихся слоёв
и градиенту скорости.

В системе СИ динамический коэффициент вязкости имеет размерность . В системе СГС за единицу динамического коэффициента вязкости принимаютпуаз (Пз). Размерностьпуаза –
Следовательно,
или

При расчётах наиболее часто применяюткинематический коэффициент вязкости,

. (13)

Название «кинематический» этот коэффициент получил в связи с тем, что в его размерность входят единицы измерения только кинематических параметров и не входят единицы силы

В системе СИ кинематический коэффициент вязкости измеряется в (м 2 /с), в системе СГС – см 2 /с илистокс (Ст). Величину, в 100 раз меньшуюстокса , называютсантистоксом.

В практике, наряду с упомянутыми единицами измерения вязкости жидкости, используют условный градус Энглера (0 Е), определяемый одним из приборов для измерения вязкости – вискозиметром Энглера.

Под условным градусом Энглера понимают отношение времени истечения
м 3 (200 см 3) испытуемой жидкости, при данной температуре из латунного цилиндрического сосуда с коническим дном через калиброванное отверстие диаметром 2,8 мм, к времени истечения из этого же сосуда
м 3 дистиллированной воды при температуре 20 0 С.

По известному значению вязкости в условных градусах Энглера , кинематический коэффициент вязкости,, определяют по формуле

. (14)

Вязкость жидкостей в значительной степени зависит от температуры. При этом вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается (таблица 2), а вязкость газов возрастает. Это объясняется тем, что природа вязкости капельных жидкостей и газов различна. В газах средняя скорость теплового движения и длина свободного пробега молекул возрастает с повышением температуры, что приводит к увеличению вязкости. В капельных жидкостях молекулы могут лишь колебаться относительно среднего положения. Cростом температуры скорости колебательных движений молекул увеличиваются. Это облегчает возможность преодоления удерживающих их связей, и жидкость становится более подвижной и менее вязкой.

Таблица 2 - Коэффициент кинематической вязкости воды при различных температурах

	ν , см 2 /с		ν , см 2 /с		ν , см 2 /с		ν , см 2 /с		ν , см 2 /с		ν , см 2 /с

Кинематический коэффициент вязкости капельных жидкостей при давлениях
слабо зависит от давления. В таблице 3 приведены значения коэффициента кинематической вязкости для некоторых жидкостей.

Таблица 3 – Коэффициент кинематической вязкости для некоторых жидкостей

Жидкость		ν , см 2 /с	Жидкость		ν , см 2 /с
Цельное молоко			Безводный глицерин
			Легкая нефть
			Тяжелая нефть
Масло АМГ-10

Кинематический коэффициент вязкости газов при увеличении давления уменьшается.