Вязкость жидкости

Вязкость жидкости

Аспекты деятельности процесса внутреннего трения в газообразных и жидкостных веществах вместе с этим состоит в перенесении беспорядочно передвигающихся молекул импульса от слоя к слою, что, равным образом, предоставляет возможность выравнивать скорости (ввод термина сила трения). Следовательно, вязкость твёрдых тел оснащена большим комплектом индивидуальных свойств.

Виды вязкости

Существует несколько разновидностей вязкости:

• динамическая;
• кинематическая;
• условная.

Динамическая вязкость в международной измерительной системе измеряется в паскалях в секунду. С точки зрения физики, данная величина демонстрирует изменение потерь давления за единицу времени. В системе СГС она измерима в пуазах (название дано в честь французского физика Ж. Пуазёйля. Динамическая вязкость жидкостей склонна уменьшаться при увеличении температуры, а ее повышение наблюдается с увеличением показателя давления.

Измерение кинематической вязкости осуществляется в стоксах, что представляет основополагающее значение свойства текучих сред. При задействовании специального прибора вискозиметра становится возможным измерение вязкости любой жидкости. Ее тарированный объем пропускается через калиброванное отверстие (исключая механическое побуждение) и под влиянием одной только силы тяжести.

Рисунок 2. Динамическая вязкость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Условная вязкость представляет величину, косвенным образом характеризующую гидравлическое сопротивление течению. При этом она измеряется временем истечения заданного объема раствора через вертикальную трубку с определенным диаметром. Измерение осуществляется в градусах Энглера (в честь немецкого химика).

Физический смысл вязкости

Для понятия физической сущности такого понятия как вязкость жидкости рассмотрим пример. Пусть есть две параллельные пластинки А и В. В пространство между ними заключена жидкость: нижняя пластинка неподвижна, а верхняя пластинка движется с некоторой постоянной скоростью υ₁

Как при этом показывает опыт, слои жидкости, непосредственно прилегающие к пластинкам (так называемые прилипшие слои), будут иметь одинаковые с ним скорости, т.е. слой, прилегающий к нижней пластинке А, будет находиться в покое, а слой, примыкающий к верхней пластинке В, будет двигаться со скоростью υ₁.

Промежуточные слои жидкости будут скользить друг по другу, причем их скорости будут пропорциональны расстояниям от нижней пластинки.

Ещё Ньютоном было высказано предположение, которое вскоре подтвердилось опытом, что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. Если взять площадь соприкосновения равной единице, это положение можно записать в виде

где τ – сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения

μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью жидкости.

Величину dυ/dy – изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости, называют скоростью скольжения.

Таким образом вязкость жидкости – это физическое свойство жидкости, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу

Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная

Теперь определимся с различными понятиям вязкости:

Динамическая вязкость. Единицей измерения этой вязкости является паскаль в секунду (Па*с). Физический смысл состоит в снижении давления в единицу времени. Динамическая вязкость характеризует сопротивление жидкости (или газа) смещению одного слоя относительно другого.

Динамическая вязкость зависит от температуры. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.

Кинематическая вязкость. Единицей измерения является Стокс. Кинематическая вязкость получается как отношение динамической вязкости к плотности конкретного вещества.

Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания определенного объема жидкости через калиброванное отверстие при воздействии силы тяжести

Абсолютная вязкость получается при умножении кинематической вязкости на плотность. В международной системе единиц абсолютная вязкость измеряется в Н*с/м2 – эту единицу называют Пуазейлем.

Коэффициент вязкости жидкости

В гидравлике часто используют величину, получаемую в результате деления абсолютной вязкости на плотность. Эту величину называют коэффициентом кинематической вязкости жидкости или просто кинематической вязкостью и обозначают буквой ν. Таким образом кинематическая вязкость жидкости

где ρ – плотность жидкости.

Единицей измерения кинематической вязкости жидкости в международной и технической системах единиц служит величина м2/с.

В физической системе единиц кинематическая вязкость имеет единицу измерения см 2 /с и называется Стоксом(Ст).

Вязкость некоторых жидкостей

Величину, обратную коэффициенту абсолютной вязкости жидкости, называют текучестью

Как показывают многочисленные эксперименты и наблюдения, вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Для различных жидкостей зависимость вязкости от температуры получается различной.

Поэтому, при практических расчетах к выбору значения коэффициента вязкости следует подходить очень осторожно. В каждом отдельном случае целесообразно брать за основу специальные лабораторные исследования.

Вязкость жидкостей, как установлено из опытов, зависит так же и от давления. Вязкость возрастает при увеличении давления. Исключение в этом случае является вода, для которой при температуре до 32 градусов Цельсия с увеличением давления вязкость уменьшается.

Что касается газов, то зависимость вязкости от давления, так же как и от температуры, очень существенна. С увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры, наоборот, увеличивается.

Методы измерения вязкости. Метод Стокса.

Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а прибор для измерения вязкости называется вискозиметр.

Современные вискозиметры изготавливаются из прочных материалов, а при их производстве используются самые современные технологии, для обеспечение работы с высокой температурой и давлением без вреда для оборудования.

Существует следующие методы определения вязкости жидкости.

Капиллярный метод.

Сущность этого метода заключается в использовании сообщающихся сосудов. Два сосуда соединяются стеклянной трубкой известного диаметра и длины. Жидкость помещается в стеклянный канал и за определенный промежуток времени перетекает из одного сосуда в другой. Далее зная давление в первом сосуде и воспользовавшись для расчетов формулой Пуазейля определяется коэффициент вязкости.

Метод по Гессе.

Этот метод несколько сложнее предыдущего. Для его выполнения необходимо иметь две идентичные капиллярные установки. В первую помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а во вторую – исследуемую жидкость. Затем замеряют время по первому методу на каждой из установок и составляя пропорцию между опытами находят интересующую вязкость.

Ротационный метод.

Для выполнения этого метода необходимо иметь конструкцию из двух цилиндров, причем один из них должен быть расположен внутри другого. В промежуток между сосудами помещают исследуемую жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру.

Жидкость вращается вместе с цилиндром со своей угловой скоростью. Разница в силе момента цилиндра и жидкости позволяет определить вязкость последней.

Метод Стокса

Для выполнения этого опыта потребуется вискозиметр Гепплера, который представляет из себя цилиндр, заполненный жидкостью.

Вначале делаются две пометки по высоте цилиндра и замеряют расстояние между ними. Затем шарик определенного радиуса помещается в жидкость. Шарик начинает погружаться в жидкость и проходит расстояние от одной метки до другой. Это время фиксируется. Определив скорость движения шарика затем вычисляют вязкость жидкости.

Видео по теме вязкости

Определение вязкости играет большую роль в промышленности, поскольку определяет конструкцию оборудования для различных сред. Например, оборудование для добычи, переработки и транспортировки нефти.

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.

Условная вязкость

Условная вязкость — величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению, измеряемая временем истечения заданного объёма раствора через вертикальную трубку (определённого диаметра). Измеряют в градусах Энглера (по имени немецкого химика К.О. Энглера), обозначают — °ВУ. Определяется отношением времени истечения 200см 3 испытываемой жидкости при данной температуре из специального вискозиметра ко времени истечения 200см 3 дистиллированной воды из того же прибора при 20°С. Условную вязкость до 16°ВУ переводят в кинематическую ( м 2 /с) по таблице ГОСТ, а условную вязкость, превышающую 16°ВУ, по формуле: где — кинематическая вязкость (в м 2 /с), а — условная вязкость (в °ВУ) при температуре t.

Значения динамического и кинематического коэффициентов вязкости некоторых жидкостей приведены далее в таблице.

Вязкость газов

Вязкость газов (явление внутреннего трения) — это появление сил трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями. Вязкость газов увеличивается с ростом температуры

Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в ходе которого от одного слоя к другому передается импульс. Сила трения на единицу площади между двумя слоями газа, равная импульсу, передаваемому за секунду от слоя к слою через единицу площади, определяется законом Ньютона:

где:
dν /_dz – градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению движения слоев газа.
Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
η — динамическая вязкость.

ρ — плотность газа,
(ν) – средняя арифметическая скорость молекул
λ — средняя длина свободного пробега молекул.

Вязкость некоторых газов (при 0°C)

Немного о вязкости смазочных жидкостей

Вязкость определяется сопротивляемостью жидких материалов течению под различными воздействиями, в частности, силы тяжести. Если сравнивать различные жидкости, к примеру, пчелиный мед и воду, можно заметить, что первая течет гораздо хуже. Вязкость можно рассматривать с точки зрения умения жидкого материала сопротивляться сдвигу частей друг относительно друга или смещению слоя жидкости относительно поверхности деталей во время их совместного передвижения.

В механике сплошных сред различаются две величины вязкости: кинематическая и динамическая.

Динамическая (ДВМ) представляет собой отношение усилия, которое прикладывается к жидкому материалу, к степени искажения. Она измеряется в Па∙с или в Пуазах.

Что такое кинематическая вязкость моторного масла?
Она определяется отношением динамической величины к плотности среды при одинаковой температуре. Этот показатель можно получить, измерив время вытекания определенного объема через калиброванное отверстие под воздействием силы тяжести. Измерить индекс позволяет устройство, называемое вискозиметром. Если рассматривается кинематическая вязкость масла: в чем измеряется величина? В различных системах для этого используется несколько единиц: м²/с, стокс, градус Энглера.

Рис.1. Единицы измерения кинематической вязкости масла.

Для определения вязкости выпускается несколько видов приборов. Выбор вискозиметра определяется условиями использования. Устройство может применяться в лабораторных условиях, а также для постоянного контроля состояния жидких материалов. Это часто требуется в производственном процессе. Кроме этого, температурные показатели веществ также могут различаться. Сегодня производится оборудование для работы в температурном режиме минус 50. плюс 2000 градусов.

Чтобы определиться с оптимальным вискозиметром, следует учитывать несколько критериев:

• необходимую точность замеров;
• диапазон измерений;
• условия эксплуатации прибора.

Приборы для определения кинематической вязкости масел (КВМ):

• Капиллярные. Этот тип оборудования позволяет определить время, за которое установленный объем жидкого вещества сможет преодолеть капилляр.
• Ротационные. В данном устройстве жидкость, у которой определяется вязкость, размещена между цилиндрами. От одного из них, вращающегося с определенной скоростью, вращательный момент передается через жидкий материал второму, изначально статичному. Показатель вязкости среды оценивается по вращающему моменту второго цилиндрического звена прибора.
• С движущимся шарообразным телом. Показатель вязкости среды оценивается по расстоянию, которое способен пройти шар, помещенный в жидкое вещество.
• Пузырьковые. Устройства этого типа предназначены для оценки перемещения газа в жидком материале.
• Ультразвуковые. Для определения вязкости исследуются импульсы, испускаемые зондом (время их затухания).
• Вибрационные. В этом оборудовании в жидкую среду опускается зонд, который начинает вибрировать. Определение кинематической вязкости масла проводится посредством оценки степени затухания его колебаний.

Нефть, Газ и Энергетика

Блог о добычи нефти и газа, разработка и переработка и подготовка нефти и газа, тексты, статьи и литература, все посвящено углеводородам

Методика определения кинематической и динамической вязкости

Методика предназначена для определения кинематической вязкости стеклянным вискозиметром нефтепродуктов, жидких при температуре испытания, у которых напряжение сдвига пропорционально скорости деформации (ньютоновских жидкостей) и расчета динамической по ГОСТ 33-82. Сущность метода заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости под влиянием силы тяжести.

Аппаратура, реактивы и материалы

Вискозиметр типа Пинкевича ВПЖТ-2; штативы для закрепления вискозиметра; термостат; термометр ртутный стеклянный лабораторный с ценой наименьшего деления шкалы 0,05°С; секундомер по ГОСТ 5072-72; шкаф сушильный, обеспечивающий нагрев до 100-200°С; бумага фильтровальная лабораторная по ГОСТ 12026-66.

Растворители и реактивы: бензин-растворитель для резиновой промышленности по ГОСТ 443-76; эфир петролейный по ГОСТ 11992-66; ацетон по ГОСТ 2603-79; спирт этиловый ректификационный технический высшей очистки по ГОСТ 18300-72; смесь хромовая; вода дистиллированная; сульфат натрия безводный.

Подготовка к испытанию

Перед проведением испытания вискозиметр тщательно промывают соответствующим растворителем, затем горячей водой и заливают не менее, чем на 6 часов хромовой смесью. После этого вискозиметр промывают дистиллированной водой и сушат в сушильном шкафу при температуре 100-200 °С.

В термостате устанавливают температуру, необходимую для измерения вязкости испытуемого нефтепродукта (н./п.). При наличии в н./п. воды его сушат безводным сульфатом натрия и фильтруют через бумажный фильтр.

Проведение испытания

Для измерения времени истечения н./п. на колено (2) (рис. 2.2) устанавливают воронку и заполняют нефтью нижнюю часть вискозиметра на 1/3 – 1/2 объема. Вискозиметр устанавливают в термостат так, чтобы расширение (4) было ниже уровня жидкости в термостате. Правильность установки вискозиметра проверяют отвесом в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. После выдержки в термостате не менее 15 минут для установления температурного равновесия, жидкость при помощи надетой на колено резиновой трубки и груши засасывают в колено (1) примерно на 1/3 высоты расширения (4). Снимают с колена (1) резиновую трубку и секундомером определяют время перемещения мениска жидкости от метки М1 до метки М2 при свободном истечении н./п. с точностью до 0,2 с. Результаты трех последовательных измерений не должны отличаться более, чем на 0,02 %.

После проведения испытания нефтепродукт из вискозиметра сливают и последний моют растворителем.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Кинематическую вязкость исследуемого н./п. ( v ) в мм 2 /с вычисляют по формуле:

где: С – постоянная вискозиметра, мм 2 /с 2 ;

t – среднее арифметическое время истечения н./п. в вискозиметре, с.

Динамическую вязкость исследуемого нефтепродукта (μ) в мПа·с вычисляют по формуле:

где v – кинематическая вязкость, мм 2 /с;

р – плотность при той же температуре, при которой определялась вязкость, г/см 3 .

Расхождение результатов последовательных определений, выполненных одним и тем же лаборантом, работающим на одном и том же вискозиметре, в идентичных условиях и на одном и том же продукте, не должно превышать 0,35 % от среднего арифметического значения.

Результаты определения кинематической и динамической вязкости округляют до сотых долей.

Что такое вязкость? Единицы измерения вязкости

Вязкость характеризует способность газов или жидкостей создавать сопротивление между движущимися по отношению друг к другу слоями текучих (не твердых) тел. То есть эта величина соответствует силе внутреннего трения (английский термин: viscosity), возникающей при движении газа или жидкости. Для разных тел она будет различной, так как зависит от их природы. Например, вода имеет низкую вязкость по сравнению с медом, вязкость которого намного выше. Внутреннее трение или текучесть твердых (сыпучих) веществ характеризуется реологическими характеристиками.

Слово вязкость происходит от латинского слова Viscum, что в переводе означает омела. Это связано с птичьим клеем, который делали из ягод омелы и использовали для ловли птиц. Клеящим веществом намазывали ветки деревьев, а птицы, садясь на них, становились легкой добычей для человека.

Что же такое вязкость? Единицы измерения данной характеристики будут приведены, как это принято, в системе СИ, а также в других внесистемных единицах.

Исак Ньютон в 1687 году установил основной закон течения жидких и газообразных тел: F = ƞ • <(v2 – v1) / (z2 – z1)>• S. В данном случае F — это сила (тангенциальная), которая вызывает сдвиг слоев подвижного тела. Отношение (v2 – v1) / (z2 – z1) показывает быстроту изменения скорости течения жидкости или газа при переходе от одного подвижного слоя к другому. Иначе называется градиентом скорости течения или скоростью сдвига. Величина S — это площадь (в поперечном сечении ) потока подвижного тела. Коэффициент пропорциональности ƞ и есть коэффициент вязкости динамической данного тела. Величина, ей обратная j = 1 / ƞ, является текучестью. Силу, действующую на единицу площади (в поперечном сечении) потока, можно рассчитать по формуле: µ = F / S. Это и есть абсолютная или динамическая вязкость. Единицы измерения ее в системе СИ выражаются как паскаль на секунду.

Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих веществ. Значение ее учитывают при проектировании и эксплуатации трубопроводов и аппаратов, в которых происходит движение (например, если они служат для перекачивания) жидкой или газообразной среды. Это могут быть нефть, газ или продукты их переработки, расплавленные шлаки либо стекло и прочее. Вязкость во многих случаях является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физико-химическое состояния материала и изменения, происходящие в технологии. Часто для оценки величины сопротивления деформации или истечения используют не динамическую, а кинематическую вязкость, единицы измерения которой в системе СИ выражаются в квадратных метрах за секунду. Кинематическая вязкость (обозначается ν) есть отношение вязкости динамической (µ) к плотности среды (ρ): v = µ / ρ.

Кинематическая вязкость — это физико-химическая характеристика материала, показывающая его способность под действием сил гравитации сопротивляться течению.

В системе СИ единицы измерения кинематической вязкости записывают как м2/с.

В системе СГС вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).

Между этими единицами измерения существует следующая связь: 1 Ст = 10-4 м2/с, тогда 1 сСт = 10-2 Ст = 10-6 м2/с = 1 мм2/с. Часто для кинематической вязкости пользуются другой внесистемной единицей измерения — это градусы Энглера, перевод которых в Стоксы можно осуществлять по эмпирической формуле: v = 0,073oE – 0,063 / oE или по таблице.

Для пересчета системных единиц измерения динамической вязкости во внесистемные можно использовать равенство: 1 Па • с = 10 пуаз. Краткое обозначение записывается: П.

Обычно единицы измерения вязкости жидкости регламентируются нормативной документацией на готовый (товарный) продукт или технологическим регламентом на полупродукт вместе с допустимым диапазоном изменения этой качественной характеристики, а также с погрешностью ее измерения.

Для определения вязкости в лабораторных или производственных условиях пользуются вискозиметрами различной конструкции. Они могут быть ротационные, с шариком, капиллярные, ультразвуковые. Принцип измерения вязкости в стеклянном капиллярном вискозиметре основан на определении времени истечения жидкости через калиброванный капилляр определенного диаметра и длины, при этом должна быть учтена постоянная вискозиметра. Так как вязкость материала зависит от температуры (с повышением ее она будет уменьшаться, что объясняется молекулярно-кинетической теорией как результат ускорения хаотического движения и взаимодействия молекул), поэтому испытуемая проба должна быть выдержана некоторое время при определенной температуре для усреднения последней по всему объему пробы. Существует несколько стандартизованных методов испытания вязкости, но наиболее распространенный — это межгосударственный стандарт ГОСТ 33-2000, на основании которого определяется кинематическая вязкость, единицы измерения в данном случае мм2/с (сСт), а динамическая вязкость пересчитывается, как произведение вязкости кинематической на плотность.