Кинематический коэффициент вязкости жидкости

Вязкость – свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации.

Динамическая 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 международной системе единиц (СИ), динамическая вязкость измеряется в Паскаль – секундах [Па·с].

Существуют также внесистемные величины измерения динамической вязкости. Наиболее распространенная в системе СГС – пуаз [П] и ее производная сантипуаз [сП].

Также динамическая вязкость может измеряться в [дин·с/см²] и [кгс·с/м²] и производных от них единицах.

Соотношение между единицами динамической вязкости:

1 Пуаз [П] = 1 дин·с/см² = 0.010197162 кгс·с/м² = 0.0000010197162 кгс·с/см² = 0.1 Па·с = 0.1 Н·с/м²
1 Сантипуаз [сП] = 0.0001010197162 кгс·с/м² = 0.01 П = 0.001 Па·с
1 кгс·с/м² = 98.0665 П = 9806.65 сП = 9.80665 Па·с

США и Британия

В виду того, что в некоторых англоязычных странах сила и площадь поверхности может измеряться в отличных от системы СИ единицах, могут применяться отличные единицы измерения динамической вязкости.

1 Фунт сила секунда на дюйм² [lbf·s/in²] = 6894.75729316836 Па·с = 144 lbf·s/ft²
1 Фунт сила секунда на фут² [lbf·s/ft²] = 47.88025898034 Па·с

Кинематическая вязкость

Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ и определяется формулой:
ν = µ / ρ, где µ – динамическая вязкость, Па·с, ρ – плотность жидкости, кг/м³.

В международной системе единиц (СИ), кинематическая вязкость измеряется в квадратных метрах на секунду [м²/с].
Также широко используется внесистемная единица – cтокс [Ст] и ее производная – сантистокс [сСт].

Соотношение между единицами кинематической вязкости:

1 Ст = 0.0001 м²/с = 1 см²/с
1 сСт = 1 мм²/с = 0.000001 м²/с
1 м²/с = 10000 Ст = 1000000 сСт

США и Британия

В виду того, что в некоторых англоязычных странах сила и площадь поверхности может измеряться в отличных от системы СИ единицах, могут применяться отличные единицы измерения кинематической вязкости.

1 м²/с = 1550.0031000062 квадратных дюймов в секунду [in²/s]
1 м²/с = 10.76391041670972 квадратных футов в секунду [ft²/s]

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Плотность

Молекулярная масса

ДНП

Критические параметры

Вязкость

Поверхностное натяжение

Фактор сжимаемости

Летучесть (фугитивность)

Оптические свойства

Электрические свойства

Понятие вязкости

Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив, нефтяных масел, ряда других нефтепродуктов. По значению вязкости судят о возможности распыления и прокачиваемости нефти и нефтепродуктов.

Различают динамическую, кинематическую, условную и эффективную (структурную) вязкость.

[μ], или внутренним трением, называют свойства реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Очевидно, это свойство проявляется при движении жидкости. Динамическая вязкость в системе СИ измеряется в [Н·с/м 2 ]. Это сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев поверхностью 1 м 2 , находящихся на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся под действием внешней силы в 1 Н со скоростью 1 м/с. Учитывая, что 1 Н/м 2 = 1 Па, динамическую вязкость часто выражают в [Па·с] или [мПа·с]. В системе СГС (CGS) размерность динамической вязкости – [дин·с/м 2 ]. Эта единица называется пуазом (1 П = 0,1 Па·с).

Переводные множители для расчета динамической [μ] вязкости.

Единицы	Микропуаз (мкП)	Сантипуаз (сП)	Пуаз ([г/см·с])	Па·с ([кг/м·с])	кг/(м·ч)	кг·с/м 2
Микропуаз (мкП)	1	10 -4	10 -6	10 7	3,6·10 -4	1,02·10 -8
Сантипуаз (сП)	10 4	1	10 -2	10 -3	3,6	1,02·10 -4
Пуаз ([г/см·с])	10 6	10 2	1	10 3	3,6·10 2	1,02·10 -2
Па·с ([кг/м·с])	10 7	10 3	10	1 3	3,6·10 3	1,02·10 -1
кг/(м·ч)	2,78·10 3	2,78·10 -1	2,78·10 -3	2,78·10 -4	1	2,84·10 -3
кг·с/м 2	9,81·10 7	9,81·10 3	9,81·10 2	9,81·10 1	3,53·10 4	1

[ν] называется величина, равная отношению динамической вязкости жидкости [μ] к ее плотности [ρ] при той же температуре: ν = μ/ρ. Единицей кинематической вязкости является [м 2 /с] – кинематическая вязкость такой жидкости, динамическая вязкость которой равна 1 Н·с/м 2 и плотность 1 кг/м 3 (Н = кг·м/с 2 ). В системе СГС (CGS) кинематическая вязкость выражается в [см 2 /с]. Эта единица называется стоксом (1 Ст = 10 -4 м 2 /с; 1 сСт = 1 мм 2 /с).

Переводные множители для расчета кинематической [ν] вязкости.

Единицы	мм 2 /с (сСт)	см 2 /с (Ст)	м 2 /с	м 2 /ч
мм 2 /с (сСт)	1	10 -2	10 -6	3,6·10 -3
см 2 /с (Ст)	10 2	1	10 -4	0,36
м 2 /с	10 6	10 4	1	3,6·10 3
м 2 /ч	2,78·10 2	2,78	2,78·10 4	1

Нефти и нефтепродукты часто характеризуются , за которую принимается отношение времени истечения через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра 200 мл нефтепродукта при определенной температуре [t] ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20°С. Условная вязкость при температуре [t] обозначается знаком ВУ, и выражается числом условных градусов.

Условная вязкость измеряется в градусах ВУ (°ВУ) (если испытание проводится в стандартном вискозиметре по ГОСТ 6258-85), секундах Сейболта и секундах Редвуда (если испытание проводится на вискозиметрах Сейболта и Редвуда).

Перевести вязкость из одной системы в другую можно при помощи номограммы.

В нефтяных дисперсных системах в определенных условиях в отличие от ньютоновских жидкостей вязкость является переменной величиной, зависящей от градиента скорости сдвига. В этих случаях нефти и нефтепродукты характеризуются эффективной или структурной вязкостью:

Для углеводородов вязкость существенно зависит от их химического состава: она повышается с увеличением молекулярной массы и температуры кипения. Наличие боковых разветвлений в молекулах алканов и нафтенов и увеличение числа циклов также повышают вязкость. Для различных групп углеводородов вязкость растет в ряду алканы – арены – цикланы.

Для определения вязкости используют специальные стандартные приборы – вискозиметры, различающиеся по принципу действия.

Кинематическая вязкость определяется для относительно маловязких светлых нефтепродуктов и масел с помощью капиллярных вискозиметров, действие которых основано на текучести жидкости через капилляр по ГОСТ 33-2000 и ГОСТ 1929-87 (вискозиметр типа ВПЖ, Пинкевича и др.).

Для вязких нефтепродуктов измеряется условная вязкость в вискозиметрах типа ВУ, Энглера и др. Истечение жидкости в этих вискозиметрах происходит через калиброванное отверстие по ГОСТ 6258-85.

Между величинами условной °ВУ и кинематической вязкости существует эмпирическая зависимость:

для ν от 1 до 120 мм 2 /с:

Вязкость наиболее вязких, структурированных нефтепродуктов определяется на ротационном вискозиметре по ГОСТ 1929-87. Метод основан на измерении усилия, необходимого для вращения внутреннего цилиндра относительно наружного при заполнении пространства между ними испытуемой жидкостью при температуре t.

Кроме стандартных методов определения вязкости иногда в исследовательских работах используются нестандартные методы, основанные на измерении вязкости по времени падения калибровочного шарика между метками или по времени затухания колебаний твердого тела в испытуемой жидкости (вискозиметры Гепплера, Гурвича и др.).

Во всех описанных стандартных методах вязкость определяют при строго постоянной температуре, поскольку с ее изменением вязкость существенно меняется.

Зависимость вязкости от температуры

Зависимость вязкости нефтепродуктов от температуры является очень важной характеристикой как в технологии переработки нефти (перекачка, теплообмен, отстой и т. д.), так и при применении товарных нефтепродуктов (слив, перекачка, фильтрование, смазка трущихся поверхностей и т. д.).

С понижением температуры вязкость их возрастает. На рисунке приведены кривые изменения вязкости в зависимости от температуры для различных смазочных масел.

Общим для всех образцов масел является наличие областей температур, в которых наступает резкое повышение вязкости.

Существует много различных формул для расчета вязкости в зависимости от температуры, но наиболее употребляемой является эмпирическая формула Вальтера:

Дважды логарифмируя это выражение, получаем:

По данному уравнению Е. Г. Семенидо была составлена номограмма на оси абсцисс которой для удобства пользования отложена температура, а на оси ординат – вязкость.

По номограмме можно найти вязкость нефтепродукта при любой заданной температуре, если известна его вязкость при двух других температурах. В этом случае значение известных вязкостей соединяют прямой и продолжают ее до пересечения с линией температуры. Точка пересечения с ней отвечает искомой вязкости. Номограмма пригодна для определения вязкости всех видов жидких нефтепродуктов.

Для нефтяных смазочных масел очень важно при эксплуатации, чтобы вязкость как можно меньше зависела от температуры, поскольку это обеспечивает хорошие смазывающие свойства масла в широком интервале температур, т. е. в соответствии с формулой Вальтера это означает, что для смазочных масел, чем ниже коэффициент В, тем выше качество масла. Это свойство масел называется индексом вязкости, который является функцией химического состава масла. Для различных углеводородов по-разному меняется вязкость от температуры. Наиболее крутая зависимость (большая величина В) для ароматических углеводородов, а наименьшая – для алканов. Нафтеновые углеводороды в этом отношении близки к алканам.

Существуют различные методы определения индекса вязкости (ИВ).

Для всех масел с ν₁₀₀ 2 /с вязкости (ν, ν₁ и ν₃) определяют по таблице ГОСТ 25371-97 на основе ν₄₀ и ν₁₀₀ данного масла. Если масло более вязкое (ν₁₀₀ > 70 мм 2 /с), то величины, входящие в формулу, определяют по специальным формулам, приведенным в стандарте.

Значительно проще определять индекс вязкости по номограммам.

Индекс вязкости – общепринятая величина, входящая в стандарты на масла во всех странах мира. Недостатком показателя индекса вязкости является то, что он характеризует поведение масла лишь в интервале температур от 37,8 до 98,8°С.

Многими исследователями было подмечено, что плотность и вязкость смазочных масел до некоторой степени отражают их углеводородный состав. Был предложен соответствующий показатель, связывающий плотность и вязкость масел и названный вязкостно-массовой константой (ВМК). Вязкостно-массовая константа может быть вычислена по формуле Ю. А. Пинкевича:

В области низких температур смазочные масла приобретают структуру, которая характеризуется пределом текучести, пластичности, тиксотропностью или аномалией вязкости, свойственными дисперсным системам. Результаты определения вязкости таких масел зависят от их предварительного механического перемешивания, а также от скорости истечения или от обоих факторов одновременно. Структурированные масла, так же как и другие структурированные нефтяные системы, не подчиняются закону течения ньютоновских жидкостей, согласно которому изменение вязкости должно зависеть только от температуры.

Масло с неразрушенной структурой имеет значительно большую вязкость, чем после ее разрушения. Если понизить вязкость такого масла путем разрушения структуры, то в спокойном состоянии эта структура восстановится и вязкость примет первоначальное значение. Способность системы самопроизвольно восстанавливать свою структуру называется . С увеличением скорости течения, точнее градиента скорости (участок кривой 1), структура разрушается, в связи с чем вязкость вещества снижается и доходит до определенного минимума. Этот минимум вязкости сохраняется на одном уровне и при последующем возрастании градиента скорости (участок 2) до появления турбулентного потока, после чего вязкость вновь нарастает (участок 3).

Зависимость вязкости от давления

Вязкость жидкостей, в том числе и нефтепродуктов, зависит от внешнего давления. Изменение вязкости масел с повышением давления имеет большое практическое значение, так как в некоторых узлах трения могут возникать высокие давления.

Зависимость вязкости от давления для некоторых масел иллюстрируется кривыми, вязкость масел с повышением давления изменяется по параболе. При давлении Р она может быть выражена формулой:

В нефтяных маслах меньше всего с повышением давления изменяется вязкость парафиновых углеводородов и несколько больше нафтеновых и ароматических. Вязкость высоковязких нефтепродуктов с увеличением давления повышается больше, чем вязкость маловязких. Чем выше температура, тем меньше изменяется вязкость с повышением давления.

При давлениях порядка 500 – 1000 МПа вязкость масел возрастает настолько, что они теряют свойства жидкости и превращаются в пластичную массу.

Для определения вязкости нефтепродуктов при высоком давлении Д.Э.Мапстон предложил формулу:

На основе этого уравнения Д.Э.Мапстоном разработана номограмма, при пользовании которой известные величины, например ν₀ и Р, соединяют прямой линией и отсчет получают на третьей шкале.

Вязкость смесей

При компаундировании масел часто приходится определять вязкость смесей. Как показали опыты, аддитивность свойств проявляется лишь в смесях двух весьма близких по вязкости компонентов. При большой разности вязкостей смешиваемых нефтепродуктов, как правило, вязкость меньше, чем вычисленная по правилу смешения. Приближенно вязкость смеси масел можно рассчитать, если заменить вязкости компонентов их обратной величиной – подвижностью (текучестью) ψ_см:

Для определения вязкости смесей можно также пользоваться различными номограммами. Наибольшее применение нашли номограмма ASTM и вискозиграмма Молина-Гурвича. Номограмма ASTM базируется на формуле Вальтера. Номограмма Молина-Гуревича составлена на основании экспериментально найденных вязкостей смеси масел А и В, из которых А обладает вязкостью °ВУ₂₀ = 1,5, а В – вязкостью °ВУ₂₀ = 60. Оба масла смешивались в разных соотношениях от 0 до 100% (об.), и вязкость смесей устанавливалась экспериментально. На номограмме нанесены значения вязкости в уел. ед. и в мм 2 /с.

Вязкость газов и нефтяных паров

Вязкость углеводородных газов и нефтяных паров подчиняется иным, чем для жидкостей, закономерностям. С повышением температуры вязкость газов возрастает. Эта закономерность удовлетворительно описывается формулой Сазерленда:

Для приближенных расчетов принимаем, что С = 1,22·Т_кип. Более точные значения С и m.

Для расчета вязкости индивидуальных углеводородных газов применяется формула:

Вязкость газов, нефтяных паров можно определить по графическим зависимостям:

Вязкость природных газов известной молекулярной массы или относительной плотности (по воздуху) при атмосферном давлении и заданной температуре может быть определена по кривым, представленным на рисунке.

Как видно из рисунка, с повышением относительной плотности и понижением температуры вязкость газа уменьшается.

Вязкость газов мало зависит от давления в области до 5-6 МПа. При более высоких давлениях она растет и при давлении около 100 МПа увеличивается в 2-3 раза по сравнению с вязкостью при атмосферном давлении. Для определения вязкости при повышенных давлениях пользуются эмпирическими графиками.

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

где — средняя скорость теплового движения молекул, λ − средняя длина свободного пробега.

Вторая вязкость

Вторая вязкость — внутреннее трение при переносе импульса в направлении движения. Влияет только при учёте сжимаемости и/или при учёте неоднородности коэффициента второй вязкости по пространству.

Вязкость жидкостей

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Общий закон внутреннего трения — закон Ньютона: Коэффициент вязкости η может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что η будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде: η = Ce w / kT

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества V_M . Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации. Если вязкость падает при увеличении скорости, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов), это термически активизируемый процесс [1] :

где Q — энергия активации вязкости (кДж/моль), T — температура (К), R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль•К) и A — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q изменяется от большой величины Q_H при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину Q_L при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда , или ломкие, когда . Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса : сильные материалы имеют R_D , в то время как ломкие материалы имеют .

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:

с постоянными A₁ , A₂ , B , C и D , связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования T_g это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.

Если температура существенно ниже температуры стеклования T , двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

с высокой энергией активации Q_H = H_d + H_m , где H_d — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а H_m — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при T аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.

При T > > T_g двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

но с низкой энергией активации Q_L = H_m . Это связано с тем, что при аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Сила вязкого трения

Сила вязкого трения пропорциональна скорости относительного движения V тел, пропорциональна площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h.

Коэффициент пропорциональности, зависящий от сорта жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости. Самое важное в характере сил вязкого трения то, что тела придут в движение при наличии сколь угодно малой силы, то есть не существует трения покоя. Это отличает вязкое трение от сухого.

Примечания

↑ Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград, Наука, 1975.

См. также

Ссылки

Аринштейн А., Сравнительный вискозиметр ЖуковскогоКвант, № 9, 1983.
Измерение вязкости нефтепродуктов — обзор методов и единиц измерения вязкости.
R.H. Doremus. J. Appl. Phys., 92, 7619-7629 (2002).
M.I. Ojovan, W.E. Lee. J. Appl. Phys., 95, 3803-3810 (2004).
M.I. Ojovan, K.P. Travis, R.J. Hand. J. Phys.: Condensed Matter, 19, 415107 (2007).
Булкин П. С. Попова И. И.,Общий физический практикум. Молекулярная физика
Статья в энциклопедии Химик.ру

Литература

Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей. — Л.: «Наука», 1975.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Кинематическая вязкость" в других словарях:

КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ВЯЗКОСТЬ — (кинематический коэффициент вязкости), (см. ВЯЗКОСТЬ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ ВЯЗКОС … Физическая энциклопедия

кинематическая вязкость — (kinematic viscosity) – характеризует текучесть масел при нормальной и высокой температурах. Стандартными температурами являются 40°С и 100°С. Измеряется сантистоксами 1 cSt = 1 mm2/c . EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь

кинематическая вязкость — Отношение динамич. в. к плотности жидкости или газа, м2/с. [http://metaltrade.ru/abc/a.htm] Тематики металлургия в целом EN kinematic viscosity … Справочник технического переводчика

Кинематическая вязкость — 3.11. Кинематическая вязкость мера сопротивления жидкости течению под действием гравитационных сил (ГОСТ 33). Источник: НПБ 304 2001: Пенообразователи для тушения пожаров. Общие технические требования и методы испытаний … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

кинематическая вязкость n — 3.1 кинематическая вязкость n : Сопротивление жидкости течению под действием гравитации. Примечание При движении жидкости под действием силы тяжести при данном гидростатическом давлении давление жидкости пропорционально ее плотности ρ. Для всех… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

кинематическая вязкость — кинематический коэффициент вязкости; отрасл. кинематическая вязкость Отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости … Политехнический терминологический толковый словарь

кинематическая вязкость — kinematinės klampos koeficientas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dydis, išreiškiamas klampos koeficiento ir medžiagos tankio dalmeniu, t. y. ν = η/ρ; čia η – klampos koeficientas, ρ – (skysčio arba dujų) tankis.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

кинематическая вязкость — kinematinė klampa statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dinaminės klampos ir masės tankio dalmuo esant matavimo temperatūrai. atitikmenys: angl. kinematic viscosity vok. kinematische Viskosität, f rus. кинематическая… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

кинематическая вязкость — kinematinė klampa statusas T sritis chemija apibrėžtis Dinaminės klampos ir tankio santykis. atitikmenys: angl. kinematic viscosity rus. кинематическая вязкость … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

кинематическая вязкость — kinematinės klampos koeficientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. kinematic viscosity; kinematic viscosity coefficient vok. kinematische Viskosität, f; kinematische Zähigkeit, f rus. кинематическая вязкость, f; коэффициент… … Fizikos terminų žodynas