Вязкость – свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации.
Различают динамическую (или абсолютную) вязкость и кинематическую вязкость.
Динамическая (абсолютная) вязкость µ – сила, действующая на единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии.
В системе СИ динамическая вязкость выражается в Па⋅с (паскаль-секунда), внесистемная единица П (пуаз).
Соотношение величин динамической вязкости в различных единицах измерения
| Единицы измерения | Па⋅с | сП | П | кгс⋅с/м 2 | Н⋅с/м 2 | дин⋅с/cм 2 | г/(см⋅с) |
| 1 Па⋅с паскаль-секунда |
1 | 1000 | 10 | 0,102 | 1 | 10 | 10 |
| 1 сП сантипуаз |
0,001 | 1 | 0,01 | 0,0001 | 0,001 | 0,01 | 0,01 |
| 1 П пуаз |
0,1 | 100 | 1 | 0,01 | 0,1 | 1 | 1 |
| 1 кгс⋅с/м 2 килограмм-сила-секунда на квадратный метр |
9,81 | 9806,7 | 98,07 | 1 | 9,81 | 98,07 | 98,07 |
| 1 Н⋅с/м 2 ньютон-секунда на квадратный метр |
1 | 1000 | 10 | 0,102 | 1 | 10 | 10 |
| 1 дин⋅с/см 2 дина-секунда на квадратный сантиметр |
0,1 | 100 | 1 | 0,01 | 0,1 | 1 | 1 |
| 1 г/(см⋅с) грамм на сантиметр на секунду |
0,1 | 100 | 1 | 0,01 | 0,1 | 1 | 1 |
Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ.
где:
ν, м 2 /с – кинематическая вязкость;
μ, Па⋅с – динамическая вязкость;
ρ, кг/м 3 – плотность жидкости.
В системе СИ кинематическая вязкость выражается в м 2 /с (квадратный метр в секунду), внесистемная единица Ст (стокс).
Соотношение величин кинематической вязкости в различных единицах измерения
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 м 2 /с.
В системе СГС вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).
Между этими единицами измерения существует следующая связь: 1 Ст = 10 -4 м 2 /с, тогда 1 сСт = 10 -2 Ст = 10 -6 м 2 /с = 1 мм 2 /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 мм 2 /с (сСт), а динамическая вязкость пересчитывается, как произведение вязкости кинематической на плотность.
Кинематическая вязкость некоторых распространенных жидкостей — моторного масла, дизельного топлива, орехового масла и т.д.
Вязкость жидкости — это её спосбоность к сопротивлению растеканию, то есть характеристика "сцепленности" жидкости. Это явление возникает из-за молекулярного трения внутри жидкости, которое влечет за собой эффект сопротивления трения. Есть две связанные между собой величины, характеризующие вязкость жидкости — это динамическая (абсолютная) и кинематическая вязкость.
Кинематическая вязкость некоторых распространенных жидкостей указана в таблице ниже.