Для чего нужна вязкость

6 августа 2019 0 Автор

В промышленности, научной деятельности часто необходимо вычислить коэффициент вязкости жидкости. Работа с обычными или дисперсными средами в виде аэрозолей, газовых эмульсий требует знаний о физических свойствах этих веществ.

Что такое вязкость жидкости?

Еще Ньютон положил начало такой науке, как реология. Эта отрасль занимается изучением сопротивления вещества при движении, т. е. вязкости.

В жидкостях и газах происходит непрерывное взаимодействие молекул. Они ударяются друг о друга, отталкиваются или просто пролетают мимо. В итоге слои вещества как бы взаимодействуют друг с другом, придавая скорость каждому из них. Явление подобного взаимодействия молекул жидкостей/газов и называется вязкостью, или внутренним трением.

Чтобы лучше рассмотреть этот процесс, необходимо продемонстрировать опыт с двумя пластинками, между которыми находится жидкая среда. Если двигать верхнюю пластинку, то «прилипший» к ней слой жидкости также начнет двигаться с определенной скоростью v1. Через короткий промежуток времени замечаем, что нижележащие слои жидкости также начинают двигаться по той же траектории со скоростью v2, v3…vn и т. д., причем v1>v2, v3…vn. Скорость самого нижнего из них остается равна нулю.

На примере газа такой опыт провести практически невозможно, т. к. силы взаимодействия молекул друг с другом очень малы, и визуально это зарегистрировать не удастся. Здесь тоже говорят о слоях, о скорости движения этих слоев, поэтому в газообразных средах также существует вязкость.

Ньютоновские и неньютоновские среды

Ньютоновская жидкость – это такая жидкость, вязкость которой можно высчитать с помощью формулы Ньютона.

К таким средам относятся вода и растворы. Коэффициент вязкости жидкости в таких средах может зависеть от таких факторов, как температура, давление или строение атома вещества, однако градиент скорости всегда останется неизменным.

Неньютоновские жидкости – это такие среды, в которых упомянутое выше значение может изменяться, а значит, формула Ньютона здесь действовать не будет. К таким веществам относятся все дисперсные среды (эмульсии, аэрозоли, суспензии). Сюда же относится и кровь. Об этом более подробно поговорим далее.

Кровь как внутренняя среда организма

Как известно, 80 % крови составляет плазма, которая имеет жидкое агрегатное состояние, а остальные 20 % — это эритроциты, тромбоциты, лейкоциты и различные включения. Эритроциты человека имеют диаметр 8 нм. В неподвижном состоянии они формируют агрегаты в виде монетных столбиков, при этом существенно повышают вязкость жидкости. Если ток крови активен, эти «конструкции» распадаются, а внутреннее трение, соответственно, уменьшается.

Коэффициенты вязкости среды

Взаимодействие слоев среды друг на друга сказывается на характеристиках всей системы жидкости или газа. Вязкость – это один из примеров такого физического явления, как трение. Благодаря ей верхние и нижние слои среды постепенно выравнивают скорости своего тока, и в конечном итоге она приравнивается к нулю. Также вязкость можно характеризовать как сопротивление одного слоя среды другому.

Для описания таких явлений выделяют две качественные характеристики внутреннего трения:

  • динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость жидкости);
  • кинетический коэффициент вязкости (кинетическая вязкость).

Обе величины связаны уравнением υ = η / ρ, где ρ – плотность среды, υ – кинетическая вязкость, а η – динамическая вязкость.

Методы определения вязкости жидкости

Вискозиметрия – это измерение вязкости. На современном этапе развития науки найти значение вязкости жидкости практическим путем можно четырьмя способами:

1. Капиллярный метод. Для его проведения необходимо иметь два сосуда, соединенных стеклянным каналом небольшого диаметра известной длины. Также нужно знать значения давления в одном сосуде и в другом. Жидкость помещается в стеклянный канал, и за определенный промежуток времени она перетекает из одной колбы в другую.

Дальнейшие подсчеты производятся с помощью формулы Пуазейля для нахождения значения коэффициента вязкости жидкости.

На практике жидкие среды могут представлять собой раскаленные до 200-300 градусов смеси. Обычная стеклянная трубка в таких условиях просто бы деформировалась или даже лопнула, что недопустимо. Современные капиллярные вискозиметры собраны из качественного и стойкого материала, который легко переживает такие нагрузки.

2. Медицинский метод по Гессе. Чтобы рассчитать вязкость жидкости таким способом, необходимо иметь не одну, а две идентичные капиллярные установки. В одну из них помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а в другую – исследуемую жидкость. Далее измеряют два значения времени и составляют пропорцию, по которой выходят на нужное число.

3. Ротационный метод. Для его проведения необходимо иметь конструкцию из двух соосных цилиндров. Это значит, что один из них должен быть внутри другого. В промежуток между ними заливают жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру. Эта угловая скорость также сообщается жидкости. Разница в силе момента позволяет вычислить вязкость среды.

Читайте также:  Дверь задка ваз 2121

4. Определение вязкости жидкости методом Стокса. Для проведения этого опыта необходимо иметь вискозиметр Гепплера, который представляет собой цилиндр, заполненный жидкостью. Перед началом эксперимента делают две пометки на цилиндре и измеряют длину между ними. Затем берут шарик определенного радиуса R и опускают его в жидкую среду. Чтобы определить скорость его падения, находят время передвижения объекта от одной метки до другой. Зная скорость движения шарика, можно вычислить вязкость жидкости.

Практическое применение вискозиметрам

Определение вязкости жидкости имеет большое практическое значение в нефтеперерабатывающей промышленности. При работе с многофазными, дисперсными средами важно знать их физические свойства, особенно внутреннее трение. Современные вискозиметры сделаны из прочных материалов, при их производстве задействуются передовые технологии. Все это в совокупности позволяет работать с высокой температурой и давлением без вреда для самого оборудования.

Вязкость жидкости играет большую роль в промышленности, потому что транспортировка, переработка и добыча, например, нефти зависят от значений внутреннего трения жидкостной смеси.

Какую роль играет вязкость в медицинском оборудовании?

Поступление газовой смеси через эндотрахеальную трубку зависит от внутреннего трения этого газа. Изменение значений вязкости среды здесь по-разному отражается на проникновении воздуха через аппарат и зависит от состава газовой смеси.

Введение лекарственных препаратов, вакцин через шприц тоже является ярким примером действия вязкости среды. Речь идет о перепадах давления на конце иголки при впрыскивании жидкости, хотя изначально полагали, что этим физическим явлением можно пренебречь. Возникновение высокого давления на наконечнике – это результат действия внутреннего трения.

Заключение

Вязкость среды – это одна из физических величин, которая имеет большое практическое применение. В лаборатории, промышленности, медицине – во всех этих сферах понятие внутреннего трения фигурирует очень часто. Работа простейшего лабораторного оборудования может зависеть от степени вязкости среды, которая используется для исследований. Даже перерабатывающая промышленность не обходится без знаний в области физики.

Вязкость жидкости означает внутреннее трение и представляет собой одно из явлений переноса. Другим словами, это свойство текучих тел (то есть газов и жидкостей), которое заключается в оказании сопротивления перемещению одной их части в отношении другой. Следствием такого перемещения становится работа, которая изначально затрачивалась на данное перемещение, а затем происходит ее рассеивание в виде тепла.

Рисунок 1. Вязкость жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Принцип действия механизма внутреннего трения в жидкостях и газах при этом заключается в переносе хаотически движущихся молекул импульса от одного слоя к другому, что, в свою очередь, способствует выравниванию скоростей (введение такого понятия как сила трения). Таким образом вязкость твёрдых тел обладает целым набором специфических особенностей.

Виды вязкости

Существует несколько разновидностей вязкости:

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.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

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).

Задай вопрос специалистам и получи
ответ уже через 15 минут!

Методы определения вязкости жидкости

Рисунок 3. Методы определения вязкости жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Процесс измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. В современных условиях определение вязкости жидкости становится возможным с помощью следующих четырех методов:

  1. Капиллярный метод. Для проведения этого метода потребуется наличие двух сосудов, которые соединены между собой посредством стеклянного канала с небольшим диаметром и с известной длиной. Также потребуется изначальное знание значения давления в каждом из сосудов. Жидкость помещают в стеклянный канал, а она далее за определенный промежуток времени перетекает из одной колбы в другую. Дальнейшие подсчеты будут производиться благодаря формуле Пуазейля (определение коэффициента вязкости жидкости). Современные капиллярные вискозиметры состоят из качественного и стойкого материала, способного выдерживать большие температурные нагрузки.
  2. Медицинский метод по Гессе. С целью расчета вязкости жидкости таким образом, потребуется наличие не одной, а двух идентичных капиллярных установок, в одну из которых помещается среда с предварительно известным значением внутреннего трения, а во второй будет находиться помещенная туда исследуемая жидкость. В дальнейшем выполняется измерение двух значений времени и составление пропорции, по которой можно выйти на нужное число.
  3. Ротационный метод потребует наличия конструкции из двух соосных цилиндров, что предполагает нахождение одного и них внутри другого. В промежуток между ними заливается жидкость, а далее внутреннему цилиндру придается определенная скорость. данная угловая скорость также сообщается жидкости. Вязкость среды определяется при этом благодаря разнице в силе момента.
  4. Метод Стокса. Проведение такого опыта требует наличие вискозиметра Гепплера, представляющего собой заполненный жидкостью цилиндр. До начала эксперимента на цилиндре делаются две пометки и затем между ними измеряется длина. Дальше берется шарик определенного радиуса R, который затем опускается в жидкую среду. Для вычисления скорости его падения определяется время передвижения объекта от одной метки к другой. Знание скорости движения шарика позволяет определить вязкость жидкости.
Читайте также:  Почему выбрасывает тосол из расширительного бачка камаз

Вязкость в практическом применении

Известны способы широкого применения свойства вязкости жидкости в практическом смысле. Так, определение вязкости большое практическое значение имеет: в условиях нефтеперерабатывающей промышленности. работа с многофазными, дисперсными средами подразумевает знание их физических свойств, в особенности – внутреннего трения.

Современные вискозиметры делаются из прочных материалов, а их производство требует задействования передовых технологий. В комплексе это позволяет производить работу с высокой температурой и давлением без повреждений оборудования. Вязкость жидкости большую роль играет и в промышленности, поскольку транспортировка, добыча и переработка, например, нефти будут зависеть от значений внутреннего трения у жидкостной смеси.

Также существенную роль свойство вязкости жидкости играет и для медицинского оборудования. Так, поступление газовой смеси посредством эндотрахеальной трубки зависит от внутреннего трения данного газа. Здесь по-разному будет отражаться изменение значений вязкости среды на проникновении воздуха через аппарат (зависимость от состава газовой смеси).

Введение вакцин и лекарственных препаратов, через шприц также представляет яркий пример действия вязкости среды. Здесь имеются в виду перепады давления на конце иголки в момент впрыскивания жидкости, несмотря на факт изначального пренебрежения учеными данным физическим явлением. Возникновение высокого давления на наконечнике представляет собой следствие действия внутреннего трения.

Таким образом, вязкость среды считается одной из физических величин, обладающей широким практическим применением. В лаборатории, промышленности, а также медицине понятие внутреннего трения фигурирует довольно часто. Функционирование простейшего лабораторного оборудования зависимо от степени вязкости среды, используемой в исследованиях.

Так и не нашли ответ
на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе
нужна помощь

Начнем с азов. Любая жидкость в данном случае масло, применяемая в сложных механизмах, имеет свою вязкость. Оставим в покое химию, хотя она, безусловно, делает смазку именно тем продуктом, за который мы платим деньги.

Рассмотрим одно из важнейших физических свойств — вязкость масла. Несмотря на то, что параметр непосредственно зависит от химического состава, это чистая физика. Вязкость напрямую зависит от температуры масла и от давления.

Оба этих фактора регулируются системами двигателя:

Абсолютное значение – динамическая вязкость. Более гибкая величина (зависит от нескольких факторов) – кинематическая. По традиционной системе СГС (сантиметр-грамм-секунда), измеряется вязкость в пуазах (динамика) и стоксах (кинематика). Существуют и другие единицы измерения.

Что такое вязкость масла?

Это достаточно сложное понятие. С теоретической точки зрения – это сопротивление течению жидкости (антипод текучести). С точки зрения практической физики – сопротивление формируется силой трения между частицами, из которых состоит масло.

В первую очередь, от вязкости зависят смазывающие свойства моторного масла. Благодаря правильному балансу, смазка равномерно распределяется и удерживается на поверхности деталей. Снижается трение, механизмы меньше изнашиваются, на их движение тратится меньше энергии. Побочный эффект – экономия топлива.

Поскольку вязкость масла зависит от температуры и давления, необходимо придать химическому составу такие характеристики, которые позволят моторному маслу сохранять параметры при любых условиях эксплуатации.

Нельзя допускать, чтобы в пределах рабочей температуры двигателя, свойства технических жидкостей менялись. Для уточнения этого параметра, рядом с числовым значением вязкости так или иначе указывается условие, при котором производится измерение. Это информация для лаборантов. а не покупателей смазки.

При использовании моторного масла с нарушениями заводских рекомендаций, вязкость либо не будет соответствовать температурным условиям, либо ее значение будет непредсказуемо меняться.

Это может привести к следующим неприятностям:

  1. Смазка загустеет и затруднится её перемещение по масляным каналам;
  2. Толщина рабочей пленки не будет соответствовать требованиям мотористов-изготовителей;
  3. Масло не удержится в рабочей зоне, металл останется «голым».

В результате возникнет масляное голодание, и эффект сухого трения. Детали будут перегреваться и ускоренно изнашиваться, что неминуемо приведет к поломке двигателя.

Кинематическая, динамическая и относительная вязкость моторного масла

Базовый (абсолютный) параметр – это динамическая вязкость масла. Если нанести на поверхность с тарированной гладкостью, масляное пятно площадью 1 см², то для движения его со скоростью 1 см/с потребуется определенное усилие. По отношению этой силы к площади пятня – определяется динамическая вязкость. Эту величину обычно рассчитывают под различные значения температуры. Измеряется в миллипаскалях, разделенных на время в секундах: мПа/с.

Кинематическая вязкость масла связана с его плотностью, и непосредственно зависит от температуры механизма, в котором применяется смазка. Поскольку сертификационные измерения производятся в диапазоне рабочих температур двигателя (от +40°С до + 100°С), это и есть главный эксплуатационный показатель моторного масла. Максимальное допустимое значение температуры: + 150°С.

Читайте также:  Установка автоматического открывания багажника

Параметр непосредственно связан со значением динамической вязкости, и представляет собой её соотношение к плотности жидкости. Разумеется, измерение проводится в одинаковых температурных условиях для абсолютной вязкости и плотности. Единица измерения – квадратный метр за секунду: м²/с.

Относительная вязкость моторного масла – это число, определяющее разность превышения над вязкостью дистиллированной воды. Оба измерения также производятся при одинаковой температуре: +20°С. Единица измерения вязкости масла – градус Энглера (E°). Этот способ измерения вспомогательный, на его основе не определяется маркировка моторного масла. Но без этой процедуры (результаты обязательно отражаются в протоколах) невозможно получить заводской допуск для конкретной марки автомобилей.

Международный стандарт вязкости масел и виды смазок

Разумеется, маркировка на емкостях со смазочными материалами, не подразумевает наличие формул и единиц измерения из учебника физики. Обозначение упрощенное и формализованное.

Типовые значения степеней вязкости по SAE приняты давно, между всеми производителями смазочных материалов и автомобильными концернами достигнуты соглашения. Стандарт действует на всех континентах, его можно найти на упаковке любого бренда.

Способ определения вязкости нефтепродуктов — видео

Методика определения вязкости постоянно совершенствуется. Сегодня применяется редакция SAE J300, по которой все смазочные материалы (для моторов) подразделяются на 11 групп (классов). При этом, предыдущие редакции имеют обратную совместимость с новыми.

Классификация по сезонам применения:

  1. Для зимней эксплуатации применяется маркировка определения низкотемпературной вязкости W: (SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W).
  2. Летние моторные масла обозначаются так: (SАЕ 20, 30, 40, 50, 60).

Поскольку нахождение автомобилей в строго определенных условиях встречается не часто, в основном применяются так называемые всесезонные моторные масла (могут быть минеральными, синтетическими, или полусинтетическими). В зависимости от условий эксплуатации, применяется комбинированная маркировка: SАЕ 0W-30, SAE 15W-40, SAE 20W-50 и пр.
Примерный перечень зависимости классификации от температуры показан в таблице:

Для нормальной работы двигателя, кинематическая вязкость моторного масла определяется двумя значениями. Первая цифра означает принадлежность к условиям зимней эксплуатации двигателя.

Правильно подобранная смазка должна обеспечить холодный запуск движка при заданной температуре. То есть, те самые показатели скорости течения масла, которые определяются в лабораториях при различных температурах, применяются на практике. Если залить жидкость с неправильным значением по SAE, коленчатый вал может просто не провернуться при вполне нормальной температуре -25°С.

Методики измерения кинетической вязкости масла

  1. Низкотемпературная вязкость – способность прокачиваться через систему маслопроводов после запуска двигателя. Определяется по универсальным (для всех участников SAE классификации) методике ASTM D 4684 и ASTM D 5293. В стендовых условиях имитируется холодный пуск мотора и прогон технической жидкости по тарированным трубкам. Можно использовать ротационный вискозиметр, но в нем не учитываются силы поверхностного натяжения. При этом определяется минимально возможная температура, при которой сохраняются заявленные показатели вязкости. Кроме того, проверяется способность жидкости уверенно проходить через масляный фильтр. Силы давления насоса вполне достаточно, чтобы порвать загустевшим маслом мембрану. Методика проверки принята стандартом GM 9099 P.
  2. Высокотемпературная вязкость оценивается на образцах из той-же партии. Кинематические характеристики проверяются с помощью капиллярного вискозиметра при типичной температуре прогретого двигателя: 100°С. Методика имеет название ASTM D 445. Затем жидкость прогревается до температуры 150°С. Это пиковые значения, когда масло касается раскаленной нижней части поршня. В этом диапазоне скорость сдвига (один из показателей кинематической вязкости) не должен выходить за установленный стандарт. Верхний предел оценивается по методике ASTM D 4683 или ASTM D 4741.

Существует еще оценка стабильности к сдвигу при одновременном воздействии температуры и механики. Проверка производится на специальной тарированной форсунке, в течение 10 симулированных рабочих часа.

Кроме того, для полного соответствия допуску, любой автопроизводитель может предложить собственный тест, который моделирует температурные и нагрузочные ситуации, характерные для конкретного двигателя.

И если производитель смазки хочет получить дополнительный сертификат, он вынужден проходить все испытания. Это влечет за собой определенные затраты, зато открывает дорогу к новым рынкам и потребителям.

Наиболее успешные тесты учитываются при выборе ОЕМ поставщика расходных материалов.

Заключение

При выборе смазки не обязательно помнить (или иметь под рукой) все перечисленные в материале формулы или методики. Достаточно прочитать на этикетке заводские данные вязкости по стандарту SAE, и найти в перечне допусков ваш автомобиль. Под этими комбинациями символов и цифр, скрываются многостраничные отчеты о проведенных испытаниях.

Как выбрать масло ориентируясь на его вязкость — видео

Идеальный вариант подбора масла – выяснить, с какой торговой маркой заключено ОЕМ соглашение на поставку расходных материалов у вашего автопроизводителя. В этом случае вы точно будете уверены, что кинематическая вязкость моторного масла соответствует вашему мотору.