Справка по кинематической вязкости. Единицы измерения кинематической взякости. Конвектор единиц измерения. |

Кинематическая вязкость: что такое, в чем отличие от динамической вязкости | глоссарий компании «техноформ»

Важные формулы, в которые входит коэффициент динамической вязкости

Коэффициент вязкости присутствует в формуле силы трения (

— радиус сферической частицы,

— скорость движения частицы.

Характер движения газа (жидкости) определяется при помощи числа Рейнольдса (

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

Влияние температуры на вязкость газов

В отличие от жидкостей, вязкость газов увеличивается с увеличением температуры (у жидкостей она уменьшается при увеличении температуры).

Формула Сазерленда может быть использована для определения вязкости идеального газа в зависимости от температуры:[3]

μ=μ0T0 CT C(TT0)3/2,{displaystyle mu =mu _{0}{frac {T_{0} C}{T C}}left({frac {T}{T_{0}}}right)^{3/2},}

где

μ — динамическая вязкость (в Па·с) при заданной температуре T;

μ — контрольная вязкость (в Па·с) при некоторой контрольной температуре T;

T — заданная температура в кельвинах;

T — контрольная температура в кельвинах;

C — постоянная Сазерленда для того газа, вязкость которого требуется определить.

Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 < T < 555 K и при давлениях менее 3,45 МПа с ошибкой менее 10 %, обусловленной зависимостью вязкости от давления.

Постоянная Сазерленда и контрольные вязкости газов при различных температурах приведены в таблице ниже:

Вязкость • большая российская энциклопедия — электронная версия

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс[9]:

η(T)=Aexp⁡(QRT),{displaystyle eta (T)=Aexp left({frac {Q}{RT}}right),}

где

Q{displaystyle Q} — энергия активации вязкости (Дж/моль);

T{displaystyle T} — температура (К);

R{displaystyle R} — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К);

A{displaystyle A} — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q{displaystyle Q} изменяется от большой величины QH{displaystyle Q_{H}} при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину QL{displaystyle Q_{L}} при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда (QH−QL)<QL{displaystyle (Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}}, или ломкие, когда (QH−QL)⩾QL{displaystyle (Q_{H}-Q_{L})geqslant Q_{L}}. Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса RD=QHQL{displaystyle R_{D}={frac {Q_{H}}{Q_{L}}}}: сильные материалы имеют RD<2{displaystyle R_{D}<2}, в то время как ломкие материалы имеют RD⩾2{displaystyle R_{D}geqslant 2}.

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением[10]

η(T)=A1T(1 A2exp⁡BRT)(1 Cexp⁡DRT){displaystyle eta (T)=A_{1}Tleft(1 A_{2}exp {frac {B}{RT}}right)left(1 Cexp {frac {D}{RT}}right)}

с постоянными A1{displaystyle A_{1}}, A2{displaystyle A_{2}}, B{displaystyle B}, C{displaystyle C} и D{displaystyle D}, связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.
В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклованияTg{displaystyle T_{g}} это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.
Если температура существенно ниже температуры стеклования, T<Tg{displaystyle T<T_{g}}, двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=ALTexp⁡(QHRT){displaystyle eta (T)=A_{L}Texp left({frac {Q_{H}}{RT}}right)}

с высокой энергией активации QH=Hd Hm{displaystyle Q_{H}=H_{d} H_{m}}, где Hd{displaystyle H_{d}} — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а Hm{displaystyle H_{m}} — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при T<Tg{displaystyle T<T_{g}} аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.
При T≫Tg{displaystyle Tgg T_{g}} двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=AHTexp⁡(QLRT),{displaystyle eta (T)=A_{H}Texp left({frac {Q_{L}}{RT}}right),}

но с низкой энергией активации QL=Hm{displaystyle Q_{L}=H_{m}}. Это связано с тем, что при T≫Tg{displaystyle Tgg T_{g}} аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Вязкость в практическом применении

На практике известны различные способы применения свойств жидкостной вязкости. В практическом смысле определить данную величину нужно: в работе нефтеперерабатывающей отрасли, деятельности с дисперсными, многофазными средами, ведь данные сферы подразумевают наличие определенных знаний о физических особенностях сред, особенно показателя их внутреннего трения.

Новые вискозиметры изготовляются из качественных материалов с использованием исключительно передовых технологий. В совокупности это дает возможность осуществлять деятельность с большой температурой и показателем давления без негативного влияния на оборудование.

Вязкость жидкости также достаточно важна для медицинского оборудования. Поступление смеси газа с помощью эндотрахеальной трубки зависимо от внутреннего трения этого газа. В этом случае, будет наблюдаться изменение показателей вязкости конкретной среды на проникновение воздуха непосредственно через аппарат.

Когда вводятся лекарственные препараты и вакцины через шприц, наблюдается реальный пример действия вышеуказанного процесса. Несмотря на начальное пренебрежение исследователями этого физического явления, в такой момент просматривается перепад давления на кончике иголки, когда впрыскивается жидкость. Высокое давление возникает на наконечнике и является результатом процесса внутреннего трения.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что вязкость среды — это определенная физическая величина, что характеризуется широким применением на практике. В промышленности, медицине, лаборатории достаточно часто наблюдается внутреннее трение. Осуществление работы самого простого лабораторного оборудования зависит напрямую от уровня вязкости среды, что используется в экспериментах.

Вязкость газов

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

η=13⟨u⟩⟨λ⟩ρ,{displaystyle eta ={frac {1}{3}}langle urangle langle lambda rangle rho ,}

где ⟨u⟩{displaystyle langle urangle } — средняя скорость теплового движения молекул, ⟨λ⟩{displaystyle langle lambda rangle } − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность ρ{displaystyle rho } прямо пропорциональна давлению, а длина пробега ⟨λ⟩{displaystyle langle lambda rangle } — обратно пропорциональна. Такой же вывод следует и для других кинетических коэффициентов для газов, например, для коэффициента теплопроводности. Однако этот вывод справедлив только до тех пор, пока разрежение газа не становится столь малым, что отношение длины свободного пробега к линейным размерам сосуда (число Кнудсена) не становится по порядку величины равным единице; в частности, это имеет место в сосудах Дьюара (термосах).
С повышением температуры вязкость большинства газов увеличивается, это объясняется увеличением средней скорости молекул газа u{displaystyle u}, растущей с температурой как T{displaystyle {sqrt {T}}}.

Гост 33768-2022 метод определения кинематической вязкости и расчет динамической вязкости прозрачных и непрозрачных жидкостей (с поправкой) от 17 ноября 2022 —

Динамическая вязкость

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Для так называемых ньютоновских жидкостей (которых вокруг нас большинство) справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

τ=−η∂v∂n.{displaystyle tau =-eta {frac {partial v}{partial n}}.}

Коэффициент вязкости η{displaystyle eta } (коэффициент динамической вязкости, динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что η{displaystyle eta } будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля — Андраде:

η=Cew/kT.{displaystyle eta =Ce^{w/kT}.}

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским^[6]. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества VM{displaystyle V_{M}}. Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение

η=cVM−VC,{displaystyle eta ={frac {c}{V_{M}-V_{C}}},}

где:

c{displaystyle c} — константа, характерная для определенной жидкости;

VC{displaystyle V_{C}} — собственный объём, занимаемый частицами жидкости.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры и растёт с увеличением давления.

Динамическая вязкость разных веществ

Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости некоторых ньютоновских жидкостей:

Кинематическая вязкость

В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной

ν=ηρ,{displaystyle nu ={frac {eta }{rho }},}

и эта величина получила название кинематической вязкости[7].

Здесь ρ{displaystyle rho } — плотность жидкости; η{displaystyle eta } — коэффициент динамической вязкости.

Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В СИ эта величина переводится следующим образом: 1 сСт = 1 мм2/c = 10−6 м2/c.

Кинематическая вязкость (ν)

Кинематическая вязкость — это соотношение коэффициента динамической вязкости жидкости к ее плотности.

ν = ƞ/ρ (где ρ — плотность жидкости)

В системе СИ эта величина выражается в м2/с, а в системе СГС — в стоксах (Ст), или сантистоксах (сСт): 1 Ст=100 сСт.

1 сСт = 1 мм2/c = 10−6 м2/c.

Кинематическая вязкость у жидкостей демонстрирует, насколько легко способно течь данное вещество.
В практическом применении это связано с тем, насколько продукт густой. На данный показатель температура влияет несколько меньше, нежели на абсолютную вязкость,
ведь тепло также уменьшает и плотность (при нагревании молекулы смещаются дальше друг от друга).

На практике кинематическая и динамическая вязкость используется при гидравлических расчетах трубопроводов в частности для определении числа Рейнольдса.

Кинематическая вязкость ряда жидкостей для различных значений температуры представлена в таблице:

Методы определения вязкости жидкости

Вискозиметрия — это процесс осуществления измерения жидкостной вязкости. На сегодняшний день определить вязкость жидкости можно благодаря таким методам как:

• Капиллярный. Для осуществления данного метода необходимо обзавестись двумя сосудами, соединенными стеклянным каналом между собой, который имеет небольшой диаметр и конкретную длину. Также нужно знать изначальное показание давления в каждом сосуде. Жидкость требуется поместить в стеклянный канал, она, в свою очередь, через некоторое время способна переместиться из одной в другую колбу. Следующие подсчеты можно рассчитать с помощью формулы Пуазейля. Новые капиллярные вискозиметры изготовлены из хорошего и прочного материала, что способен выдержать любые нагрузки температуры.
• Медицинский по Гессе. Для того чтобы рассчитать жидкостную вязкость, нужны две одинаковые капиллярные установки. В одну из них необходимо поместить среду, значение внутреннего трения которой нам известно, а во вторую — исследуемую жидкость. Потом требуется осуществить измерение двух временных значений и составить пропорции, чтобы получить в результате необходимое число.
• Ротационный. Для этого метода потребуется конструкция из двух непосредственно соосных цилиндров, один из который находится внутри другого. В тот промежуток, что образовался, помещается жидкость, а внутренний цилиндр получает конкретную скорость. Эта угловая скорость сообщается самой жидкости в сосуде. Разница в моментальной силе и определяет вязкость этой среде.
• Стокса. Чтобы провести такой опыт, нужно обзавестись вискозиметром Гепплера, что имеет форму цилиндра, заполненного жидкостью. Перед экспериментом требуется поставить на поверхности две отметки и измерить длину между ними. Следом нужно взять шарик конкретного радиуса (R) и опустить его в жидкость. Для того чтобы вычислить скорость падения шара, требуется узнать время перемещения объекта от одной к другой метке. Если мы узнаем скорость движение, узнать вязкость жидкости не составит труда.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. В уравнении Навье — Стокса для ньютоновской жидкости имеет место аналогичный вышеприведённому закон вязкости (по сути, обобщение закона Ньютона, или закон Навье — Стокса[8]):

σij=η(∂vi∂xj ∂vj∂xi),{displaystyle sigma _{ij}=eta left({frac {partial v_{i}}{partial x_{j}}} {frac {partial v_{j}}{partial x_{i}}}right),}

где σi,j{displaystyle sigma _{i,j}} — тензор вязких напряжений.

Среди неньютоновских жидкостей по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Моделью с ненулевым напряжением сдвига (действие вязкости подобно сухому трению) является модель Бингама.

С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы.[источник не указан 671 день]

Примечания

Сведения о вязкости. талнахский механический завод (4872) 73-02-03

Сила вязкого трения

Если параллельные плоские тела площадью

S

каждое, находящиеся на малом расстоянии

h

, движутся в той же плоскости со скоростью

v→{displaystyle {vec {v}}}

друг относительно друга, а пространство между телами заполнено жидкостью или газом, то на каждое из них действует сила, в простейшем случае пропорциональная относительной скорости

v→{displaystyle {vec {v}}}

и площади

S

и обратно пропорциональная расстоянию между телами

h

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 200 мл испытываемой жидкости при данной температуре из специального вискозиметра ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды из того же прибора при 20 °С. Условную вязкость до 16 °ВУ переводят в кинематическую по таблице ГОСТ, а условную вязкость, превышающую 16 °ВУ, по формуле

ν=7,4⋅10−6Et,{displaystyle nu =7,4cdot 10^{-6}E_{t},}

где ν{displaystyle nu } — кинематическая вязкость (в м²/с), а Et{displaystyle E_{t}} — условная вязкость (в °ВУ) при температуре t.