Кинематическая вязкость распространенных в гидравлике жидкостей

Вязкость патоки

Патока представляет собой очищенный концентрированный сироп, полученный при неполном гидролизе картофельного или кукурузного крахмала или производстве сахара. Это вязкая прозрачная, сладкая жидкость (на вкус слаще сахара), состоящая из смеси глюкозы, мальтозы, высших сахаридов. Многообразие сортов патоки обусловлено сочетаниями данных углеводов.

Существует две разновидности патоки:

• светлая (крахмальная), получают из крахмала;
• темная, получают при производстве сахара из сахарной свеклы.

Вязкость патоки составляет 0,1 Па•с.

В промышленности данный пищевой продукт перекачивают винтовыми насосами.

Вязкость масла

Растительные масла — это продукты, которые извлекаются из растительного сырья, состоят из жирных кислот и сопутствующих компонентов (воски, стеролы, красящие пигменты и пр.). Вязкость растительных масел обусловлена молекулярной массой жирных кислот, которые входят в их состав. Чем она больше, тем, соответственно, масло более вязкое.

В целом вязкость натуральных масел колеблется в узком диапазоне, она примерно в 158 раз больше вязкости воды. К примеру, вязкость оливкового масла составляет 84•10-3 Па•с, касторового — 987•10-3 Па•с.

Масло в промышленности перекачивают шестеренчатыми, роторными, винтовыми насосами.

Сила вязкого трения

Сила вязкого трения F, действующая на жидкость, пропорциональна (в простейшем случае сдвигового течения вдоль плоской стенки) скорости относительного движения v тел и площади S и обратно пропорциональна расстоянию между плоскостями h:

F→∝−v→⋅Sh{\displaystyle {\vec {F}}\propto -{\frac {{\vec {v}}\cdot S}{h}}}

Коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости или газа, называют коэффициентом динамической вязкости. Этот закон был предложен Исааком Ньютоном в 1687 году и носит его имя (закон вязкости Ньютона). Экспериментальное подтверждение закона было получено в начале XIX века в опытах Кулона с крутильными весами и в экспериментах Хагена и Пуазёйля с течением воды в капиллярах.

Качественно существенное отличие сил вязкого трения от сухого трения, кроме прочего, то, что тело при наличии только вязкого трения и сколь угодно малой внешней силы обязательно придет в движение, то есть для вязкого трения не существует трения покоя, и наоборот — под действием только вязкого трения тело, вначале двигавшееся, никогда (в рамках макроскопического приближения, пренебрегающего броуновским движением) полностью не остановится, хотя движение и будет бесконечно замедляться.

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.

Вязкость муки

Мука — продукт, который получают посредством измельчения зерен с/х культур (в основном злаковых) до порошкообразной консистенции. На муку размалывают преимущественно пшеницу, рожь, в меньших объемах кукурузу, ячмень и прочие зерновые культуры.

Сила муки — показатель, определяющий ее хлебопекарные качества. Он обозначает, как поведет себя тесто при замесе, каким будет его вязкость, эластичность, упругость, водопоглотительная способность. В зависимости от реологических свойств теста классифицируют муку сильную, среднюю, слабую по силе.

Вязкость водно-мучной смеси обусловлена содержанием в муке клейковины, которая разбухает в растворенном виде.

Вязкость сахарного сиропа

Сахаром в быту называется сахароза. Свекловичный и тростниковый сахар (в виде песка и рафинада) — очень важный продукт питания. Сахароза относится к углеводам, питательным веществам, заряжающим организм энергией.

Сахарный сироп (основа многих мучных и кондитерских изделий) обладает определенной вязкостью. Она есть уже у самой воды, в составе данной среды. С повышением концентрации растворов вязкость сиропов увеличивается. При концентрации сахара свыше 80 % начинается процесс кристаллизации сахара.

Выделяют следующие разновидности сиропов.

1. Сахарно-паточный. Помимо растворенного в воде сахара содержит патоку. Имеет более высокую вязкость.

2. Инвертный. Обладает более низкой вязкостью, но повышенной гигроскопичностью.

3. Молочный. Растворителем здесь служит молоко (цельное, сухое, сгущенное, сливки), возможно добавление патоки. Данный сироп выступает основным полуфабрикатом при изготовлении молочных конфет, помадных масс.

Для перекачивания сиропов лучше всего подходят центробежные и кулачковые насосы.

Вязкость. Пояснения. Абсолютная и кинематическая вязкость. Таблицы значений вязкости — мало, школьный вариант. Вариант для печати.

• Кинематическая вязкость — мера потока имеющей сопротивление жидкости под влиянием силы тяжести. Когда две жидкости равного объема помещены в идентичные капиллярные вискозиметры и двигаются самотеком, вязкой жидкости требуется больше времени для протекания через капилляр. Если одной жидкости требуется для вытекания 200 секунд,а другой — 400 секунд, вторая жидкость в два раза более вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости.
  • Размерность кинематической вязкости — L2/T, где L — длина, и T — время. Обычно используется сантистокс (cSt). ЕДИНИЦА СИ кинематической вязкости — mm2/s, = 1 cSt =1 сантиСтокс = 10-6м2/с = мм2/с
  • Перевод единиц кинематической вязкости

• Абсолютная (динамическая) вязкость, иногда называемая динамической или простой вязкостью, является произведением кинематической вязкости и плотности жидкости:
  • Абсолютная вязкость = Кинематическая вязкость * Плотность
  • Абсолютная вязкость выражается в сантипуазах (сПуаз). ЕДИНИЦА СИ абсолютной вязкости — Паскаль-секунда (Pa-s), запомним, что 1 сПуаз = 1 mPa-s.
  • Перевод единиц динамической = абсолютной вязкости

Вязкость жидкостей

Динамическая вязкость, или коэффициент динамической вязкости ƞ (ньютоновской), определяется формулой:

η = r / (dv/dr),

где r – сила вязкого сопротивления (на единицу площади) между двумя соседними слоями жидкости, направленная вдоль их поверхности, а dv/dr– градиент их относительной скорости, взятый по направлению, перпендикулярному к направлению движения. Размеренность динамической вязкости ML-1T-1, ее единицей в системе СГС служит пуаз (пз) = 1г/см*сек=1дин*сек/см2=100 сантипуазам (спз)

Кинематическая вязкость определяется отношением динамической вязкости ƞ к плотности жидкости p. Размерность кинематической вязкости L2T-1, ее единицей в системе СГС служит стокс (ст) = 1 см2/сек=100 сантистоксам (сст).

Текучесть φ является величиной, обратной динамической вязкости. Последняя для жидкостей уменьшается с понижением температуры приблизительно по закону φ=А+В/Т, где А и В являются характеристическими постоянными, а Т обозначает абсолютную температуру. Величины А и В для большого количества жидкостей были даны Бэррером.

Таблица вязкость воды

Данные Бингхема и Джексона, выверенные по национальному стандарту в США и Великобритании на 1 июля 1953 года, ƞ при 200С=1,0019 сантипуаза.

Таблица вязкость различных жидкостей Ƞ, спз

Относительная вязкость некоторых водных растворов (таблица)

Концентрация растворов предполагается нормальным, который содержит в 1л один грамм-эквивалент растворенного вещества. Вязкости даны по отношению к вязкости воды при той же температуре.

Таблица вязкость водных растворов глицерина

Вязкость жидкостей при высоких давлениях по Бриджмену

Таблица относительная вязкость воды при высоких давлениях

Сила внутреннего трения в жидкости

(12)

т. е. она прямо пропорциональна
динамическому коэффициенту вязкости,
площади трущихся слоёв
и градиенту скорости.

В системе СИ динамический коэффициент
вязкости имеет размерность
.
В системе СГС за единицу динамического
коэффициента вязкости принимаютпуаз
(Пз). Размерностьпуаза –Следовательно,или

При расчётах наиболее частоприменяюткинематическийкоэффициент вязкости,

.
(13)

Название «кинематический» этот
коэффициент получил в связи с тем, что
в его размерность входят единицы
измерения только кинематических
параметров и не входят единицы силы

В системе СИ кинематический коэффициент
вязкости измеряется в (м2/с), в
системе СГС – см2/с илистокс
(Ст). Величину, в 100 раз меньшуюстокса,называютсантистоксом.

В практике, наряду с упомянутыми единицами
измерения вязкости жидкости, используют
условныйградус Энглера(Е),
определяемый одним из приборов для
измерения вязкости – вискозиметром
Энглера.

Под условным градусом Энглера
понимают отношение времени истечениям3(200 см3) испытуемой жидкости, при
данной температуре из латунного
цилиндрического сосуда с коническим
дном через калиброванное отверстие
диаметром 2,8 мм, к времени истечения
из этого же сосудам3дистиллированной воды при температуре
20С.

По известному значению вязкости в
условных градусах Энглера,
кинематический коэффициент вязкости,,
определяют по формуле

.
(14)

Вязкость жидкостей в значительной
степени зависит от температуры. При
этом вязкость капельных жидкостей с
увеличением температуры уменьшается
(таблица 2), а вязкость газов возрастает.
Это объясняется тем, что природа вязкости
капельных жидкостей и газов различна.
В газах средняя скорость теплового
движения и длина свободного пробега
молекул возрастает с повышением
температуры, что приводит к увеличению
вязкости. В капельных жидкостях молекулы
могут лишь колебаться относительно
среднего положения. Cростом температуры скорости колебательных
движений молекул увеличиваются. Это
облегчает возможность преодоления
удерживающих их связей, и жидкость
становится более подвижной и менее
вязкой.

Таблица 2 —
Коэффициент кинематической вязкости
воды при различных температурах

Кинематический коэффициент вязкости
капельных жидкостей при давленияхслабо зависит от давления. В таблице 3
приведены значения коэффициента
кинематической вязкости для некоторых
жидкостей.

Таблица 3 – Коэффициент кинематической
вязкости для некоторых жидкостей

Кинематический коэффициент вязкости
газов при увеличении давления уменьшается.

Вязкость аморфных материалов

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

η(T)=Aexp⁡(QRT),{\displaystyle \eta (T)=A\exp \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

η(T)=A1T(1+A2exp⁡BRT)(1+Cexp⁡DRT){\displaystyle \eta (T)=A_{1}T\left(1+A_{2}\exp {\frac {B}{RT}}\right)\left(1+C\exp {\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 стеклования Tg{\displaystyle T_{g}} это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.

Пример вязкости стёкол

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}T\exp \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 T\gg T_{g}} двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=AHTexp⁡(QLRT),{\displaystyle \eta (T)=A_{H}T\exp \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 T\gg T_{g}} аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Виды моторных масел по классификации SAE

Сообщество автоинженеров SAE родом из США. Данное сообщество участвовало в разработке международной классификации моторных масел по одному из главных параметров – вязкости. Вязкость, или текучесть масла – главный параметр, от которого зависит возможность эксплуатации двигателя при той или иной температуре окружающей среды.

SAE расшифровывает температурный диапазон, при котором возможны безопасный пуск и эксплуатация двигателя. Обозначается вязкость в условных единицах, чем выше число – тем выше вязкость масла. Всего на данный момент используется 11 категорий вязкости: 5 летних от 20 до 60 без буквенного обозначения, 6 зимних – от 0W до 25W.

Масла, обладающие вязкостью от 60W и выше, называются трансмиссионными и в ДВС не используются.

Условный шифр, обозначающий вязкость масла, расшифровывает следующие обеспечиваемые маслом показатели:

• Прокачиваемость масла насосом по системе, что обеспечивает смазку трущихся поверхностей, исключая сухой контакт. Актуально для зимних и всесезонных масел.

• Проворачиваемость стартером во время пуска ДВС. Актуально опять же для зимних и всесезонных масел.

• Нормальное смазывание деталей и механизмов при эксплуатации двигателя в различных режимах и при длительной эксплуатации ДВС. Актуально для летних и всесезонных масел.

В основном применяются универсальные всесезонные масла, обеспечивающие безопасную эксплуатацию двигателя в пределах указанного в шифре диапазона температур.

Стандартное обозначение для всесезонных масел – цифра, латинская буква, цифра.

Приведем пример, масло всесезонное и обозначено оно как 10W-40.

W – масло применимо при низких температурах, в том числе зимой.

10 – предельный показатель низкой температуры, при которой масло обеспечивает безопасную эксплуатацию ДВС. Не стоит путать, 10 – это не температура в градусах Цельсия, это просто индекс.

40 – предельный показатель высокой температуры, при которой масло обеспечивает безопасное использование ДВС. И опять-таки это не градусы Цельсия.

Цифры являются показателями вязкости масла при низких и высоких температурах.

Для летнего масла шифр, обозначающий вязкость выглядит, как SAEхх, где хх – цифра, обозначающая вязкость масла.

А теперь расшифруем индексы, обозначающие вязкость масла, согласно классификации SAE.

Отрицательные температуры:

• 0W – до -35 градусов Цельсия.

• 5W – до -30 градусов Цельсия.

• 10W – до -25 градусов Цельсия.

• 15W – до -20 градусов Цельсия.

• 20W – до -15 градусов Цельсия.

Положительные температуры (индекс – температуры):

• 30 – до +25 или +30 градусов Цельсия.

• 40 – до +40 градусов Цельсия.

• 50 – до +50 градусов Цельсия.

• 60 – до +60 градусов Цельсия.

Так, например, масло, обозначенное индексом вязкости 10W-30, может использоваться при температурах окружающей среды от -20 до +25 градусов Цельсия. Эксплуатация этого масла при выходе за диапазон температур не гарантирует безопасную и устойчивую работу ДВС.