Теплофизические свойства водяного пара: плотность, теплоемкость, теплопроводность

Содержание:

Вязкость мыла
Вязкость краски
Сила вязкого трения
Вязкость аморфных материалов
Сила внутреннего трения в жидкости
Вязкость молока
Примечания
Вязкость меда
Вязкость газов
- Влияние температуры на вязкость газов
Влияние вязкости на работу гидравлики
Вязкость аморфных материалов
Вязкость битума
Вязкость натрия
Вязкость газов
- Влияние температуры на вязкость газов
Для чего используется масло?

Вязкость мыла

Мыло — твердый либо жидкий продукт, который содержит поверхностно-активные вещества. При соединении с водой он ведет себя как косметическое средство, очищающее кожу (туалетное мыло), или же как моющее средство бытовой химии (хозяйственное мыло). В последнее время данный продукт массового использования все больше применяется именно в жидком виде.

По химическому составу мыло представляет собой натриевые либо калиевые соли высших карбоновых кислот, которые получают в процессе гидролиза жиров в щелочной среде. Также оно может содержать ароматизаторы, красители и прочие ингредиенты.

Вязкость мыльных растворов зависит не только от температуры. Этот показатель растет с повышением концентрации мыла. Включение в мыльные растворы небольшого объема электролитов снижает вязкость, а введение их большого количества ведет к повышению вязкости и последующему высаливанию продукта.

Вязкость краски

Вязкость — важный показатель для лакокрасочных материалов. Для краски это основа ее качества, устойчивости к разрушению в процессе работы. Вязкость определяет толщину краски, способ ее нанесения (кистью, валиком, распылителем и пр.), влияет на производительность.

Неправильная вязкость краски или лака может спровоцировать растрескивание вещества на поверхности. Данный параметр зависит от ряда факторов:

химический состав;
концентрация разбавителя или растворителя;
температура (самой краски, поверхности, воздуха).

Для перекачивания лакокрасочных материалов лучше всего подходят мембранные пневматические насосы.

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.

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.

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

t, °C	ν, см2/с	t, °C	ν, см2/с	t, °C	ν, см2/с	t, °C	ν, см2/с	t, °C	ν, см2/с	t, °C	ν, см2/с
0,0179	6	0,0147	12	0,0124	18	0,0106	30	0,0080	45	0,0060
2	0,0167	8	0,0139	14	0,0118	20	0,0101	35	0,0072	50	0,0055
4	0,0157	10	0,0131	16	0,0112	25	0,0090	40	0,0065	60	0,0048

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

Жидкость	t, °C	ν, см2/с	Жидкость	t, °C	ν, см2/с
Цельное молоко	20	0,00174	Безводный глицерин	20	20
Патока	18	60
Керосин	15	0,027	Легкая нефть	18	0,025
Мазут	18	2,0	Тяжелая нефть	18	0,14
Масло АМГ-10	50	0,01	ртуть	15	0,00011

Кинематический коэффициент вязкости
газов при увеличении давления уменьшается.

Вязкость молока

Вязкость молока складывается из данного показателя воды, а также суммы приращений от вязкости дисперсной фазы и структурных связей. Данное свойство продукта напрямую зависит от содержания в нем жиров и казеина, состояния сывороточных белков и технологических режимов обработки (они вызывают изменение агрегатного состояния компонентов молока).

Вязкость продукта будет тем больше, чем выше массовая доля молочного жира и казеина, а также степень дисперсности среды. Так, этот показатель у обезжиренного молока в среднем равен 1,5•10-3 Па•с, у цельного питьевого — 1,8•10-3 Па•с, у молока, гомогенизированного при давлении 1500 Па, — 1,86•10-3 Па•с.

Вязкость молока и молочных продуктов возрастает с увеличением в них массовой доли сухих веществ. При нагревании данный показатель возрастает тогда, когда температура переходит за точку коагуляции сывороточных белков, что применяется в производстве сгущенного молока (его вязкость будет гораздо больше, чем у исходного продукта, — 3,6 Па•с).

Для перекачивания молока в промышленности востребованы различные типы насосного оборудования: пищевые центробежные, шестеренчатые, мембранные, перистальтические, импеллерные, насосы-дозаторы.

Примечания

Внутреннее трение в металлах, полупроводниках, диэлектриках и ферромагнетиках: Сб. статей (рус.) / Под ред. Ф. Н. Тавадзе. — М.: Наука, 1978. — 235 с.
В общем случае это не так.
Хмельницкий Р. А. Физическая и коллоидная химия: Учебних для сельскохозяйственных спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1988. — С. 40. — 400 с. — ISBN 5-06-001257-3.
Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и превмосистем : Учеб. для машиностроительных вузов. — М. : Машиностроение, 176. — С. 175. — 424 с.
Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. — Ленинград, Наука, 1975. — с. 226.
Ojovan M. Viscous flow and the viscosity of melts and glasses. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143—150 (2012).

Вязкость меда

Очень вязкой жидкой средой является мед. Его вязкость зависит от зрелости, то есть от содержания в продукте воды. Так, при содержании 25 % воды коэффициент вязкости меда равен 1,051, а при 16,6 % — 9,436 (при температуре 45 °С). Кроме того, этот показатель увеличивается в результате кристаллизации. Вязкость продукта повышают декстрины и коллоиды.

Зрелость меда определить несложно. Нужно зачерпнуть ложкой продукт и быстро поворачивать ее: незрелый мед будет стекать.

Хотя состав меда не особо влияет на его вязкость, некоторые сорта в этом отношении отличаются. В связи с этим выделяется 5 групп продукта:

очень жидкий (акациевый, клеверный).
жидкий (гречишный, липовый, рапсовый);
густой (одуванчиковый);
клейкий (падевый);
студнеобразный (вересковый).

В промышленных условиях мед перекачивают кулачковыми и винтовыми насосами.

Вязкость газов

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

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

где ⟨u⟩{\displaystyle \langle u\rangle } — 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 ⟨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}}}

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:

μ=μT+CT+C(TT)32,{\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:

Газ	C, K	T, K	μ, мкПа·с
Воздух	120	291,15	18,27
Азот	111	300,55	17,81
Кислород	127	292,25	20,18
Углекислый газ	240	293,15	14,8
Угарный газ	118	288,15	17,2
Водород	72	293,85	8,76
Аммиак	370	293,15	9,82
Оксид серы(IV)	416	293,65	12,54
Гелий	79,4	273	19

Влияние вязкости на работу гидравлики

Определение коэффициента вязкости жидкости представляет не только научно-познавательный интерес, но и несет в себе важное практическое значение. В гидросистемах рабочие жидкости не только передают энергию от насоса к гидродвигателям, но также смазывают все детали компонентов и отводят выделяемое тепло от пар трения

Не соответствующая режиму работы вязкость рабочей жидкости может серьезно нарушать эффективность всей гидравлики.

Высокая вязкость рабочей жидкости (масло очень высокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям:

Повышенное сопротивление течению гидравлической жидкости вызывает излишнее падение давления в гидросистеме.
Замедление скорости управления и механических движений исполнительных механизмов.
Развитие кавитации в насосе.
Нулевое или слишком низкое выделение воздуха из масла в гидробаке.
Заметная потеря мощности (снижение КПД) гидравлики из-за высоких затрат энергии на преодоление внутреннего трения жидкости.
Повышенный крутящий момент первичного двигателя машины, вызываемый возрастающей нагрузкой на насосе.
Рост температуры гидравлической жидкости, порождаемый повышенным трением.

Таким образом, физический смысл коэффициента вязкости заключается в его влиянии (позитивном либо негативном) на узлы и механизмы транспортных средств, станков и оборудования.

Вязкость аморфных материалов

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

η(T)=A⋅exp⁡(QRT),{\displaystyle \eta (T)=A\cdot \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 \left(Q_{H}-Q_{L}\right)<Q_{L}}, или ломкие, когда (QH−QL)≥QL{\displaystyle \left(Q_{H}-Q_{L}\right)\geq 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}\geq 2}.

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением:

η(T)=A1⋅T⋅1+A2⋅exp⁡BRT⋅1+Cexp⁡DRT{\displaystyle \eta (T)=A_{1}\cdot T\cdot \left\cdot \left}

Вязкость

Если температура существенно ниже температуры стеклования T<Tg{\displaystyle T<T_{g}}, двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=ALT⋅exp⁡(QHRT),{\displaystyle \eta (T)=A_{L}T\cdot \exp \left({\frac {Q_{H}}{RT}}\right),}

При T≫Tg{\displaystyle T\gg T_{g}} двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=AHT⋅exp⁡(QLRT),{\displaystyle \eta (T)=A_{H}T\cdot \exp \left({\frac {Q_{L}}{RT}}\right),}

Вязкость битума

Битум — это остаточный продукт, образуемый в ходе переработки нефти. Он представляет собой смесь углеводородов и их производных. По консистенции это вещество твердое или смолоподобное, но при использовании в промышленных условиях (например, при приготовлении асфальтобетонных смесей) его нагревают до текучего состояния. Оптимальная вязкость битума при этом должна составить примерно 20 Па•с.

Для битумов различных марок, имеющих разную консистенцию, температура, которая позволяет достигнуть указанной вязкости, неодинакова. Она колеблется от 100 до 160 °С. Причем при необходимой температуре вещество можно выдерживать не более 5 часов, чтобы не допустить развития процессов старения (при температуре не более 80 °С вязкий битум допускается выдерживать до 12 ч).

Для перекачивания битума в промышленности используют, как правило, шестеренные насосы.

Вязкость натрия

Натрий является пластичным металлом серебристого оттенка. На воздухе он быстро окисляется, тускнеет. Данный металл настолько мягкий, что его можно резать ножом, прессовать, прокатывать. Он легче воды, хорошо проводит тепло, электрический ток. Натрий имеет значительную разницу между температурами кипения и плавления — около 800 градусов: плавится при 98 °С, а кипит при 883 °С. За счет этого вещество представляет собой хороший теплоноситель для атомных реакторов. Оно в целом широко востребовано в промышленности.

Натрий важен для живых организмов, для обменных процессов, функционирования сердечно-сосудистой и нервной систем. Для человека вреден как недостаток, так и избыток этого химического элемента.

Кинематическая вязкость натрия при температуре 98 °С составляет 6,7•10-7 м2/с, при температуре же 927 °С этот показатель уже равен 2,1•10-7 м2/с.

Вязкость газов

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

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

Влияние температуры на вязкость газов

μ=μT+CT+C(TT)32,{\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.

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

Газ	C, K	T, K	μ, мкПа·с
Воздух	120	291,15	18,27
Азот	111	300,55	17,81
Кислород	127	292,25	20,18
Углекислый газ	240	293,15	14,8
Угарный газ	118	288,15	17,2
Водород	72	293,85	8,76
Аммиак	370	293,15	9,82
Оксид серы(IV)	416	293,65	12,54
Гелий	79,4	273	19

Для чего используется масло?

Работа двигателя внутреннего сгорания предполагает непрерывное взаимодействие его конструктивных элементов. Представим на секунду, что мотор работает «на сухую». Что с ним произойдет? Во-первых, сила трения повысит температуру внутри устройства. Во-вторых, произойдет деформация и износ деталей. И, наконец, все это приведет к полной остановке ДВС и невозможности его дальнейшего использования. Правильно подобранное моторное масло выполняет следующие функции:

Работа моторного масла

защищает мотор от перегрева,
предотвращает быстрый износ механизмов,
препятствует образованию коррозии,
выводит нагар, сажу и продукты сгорания топлива за пределы двигательной системы,
способствует увеличению ресурса силового агрегата.

Таким образом, нормальное функционирование моторного отдела без смазывающей жидкости невозможно.

Важно! Заливать в мотор транспортного средства нужно только то масло, вязкость которого соответствует требованиям автопроизводителей. В этом случае коэффициент полезного действия будет максимальным, а износ рабочих узлов – минимальным

Доверять мнениям продавцов-консультантов, друзей и специалистов автосервисов, если они расходятся с инструкцией к автомобилю, не стоит. Ведь только производитель может знать наверняка, чем стоит заправлять мотор.