Динамическая вязкость газов и паров

Содержание:

Определение коэффициента динамической вязкости методом Стокса

Рассмотрим
свободное падение тела внутри покоящейся
жидкости. Пусть в сосуде с жидкостью
вертикально падает небольшой шарик
радиуса

с малой скоростью

(см. рис. 2). В этом случае между тонким
слоем жидкости, обволакивающим шарик,
и окружающей средой возникает сила
внутреннего трения. Последняя направлена
против движения и, согласно закону
Стокса, равна

, (3)

где

— коэффициент вязкости жидкости.

Кроме
указанной силы
,
на шарик действуют две силы – сила
тяжести
(вертикально
вниз) и сила Архимеда

(вертикально вверх).

В
первый момент падения шарик движется
равноускоренно, так как сила тяжести
больше суммы сил, действующих вертикально
вверх. При дальнейшем падении скорость
шарика увеличивается, возрастает и сила
внутреннего трения (см. формулу 3). Когда
скорость шарика будет иметь такое
значение, при котором все три силы
,

и

уравновешиваются (сумма сил равна нулю),
тогда шарик согласно первому закону
Ньютона, будет падать равномерно с
постоянной скоростью
.

Для
этого случая имеем

. (4)

Обозначим
через

плотность шарика, а через

— плотность жидкости. Если силу тяжести
выразить через плотность, то получим

. (5)

Соответственно
сила Архимеда

. (6)

Подставляя
значения сил (3), (5) и (6) в (4) и выражая
,
найдем

. (7)

По
формуле (7) можно вычислить коэффициент
вязкости жидкости, если измерить на
опыте скорость равномерного движения
шарика в жидкости. Для этой цели необходимо
измерить время t
прохождения шариком расстояния l
между метками m
и n
(см. рис.2). Скорость равномерного
движения будет
,
и расчетная формула примет вид

. (8)

Вязкость некоторых веществ

Для авиастроения и судостроения наиболее важно знать вязкости воздуха и воды.

Вязкость воздуха


Зависимость вязкости сухого воздуха от давления при температурах 300, 400 и 500 K

Вязкость воздуха зависит в основном от температуры.
При 15,0 °C вязкость воздуха составляет 1,78·10−5 кг/(м·с), 17,8 мкПа·с или 1,78·10−5 Па·с. Можно найти вязкость воздуха как функцию температуры с помощью программ расчёта вязкостей газов.

Вязкость воды


Зависимость динамической вязкости воды от температуры в жидком состоянии (Liquid Water) и в виде пара (Vapor)

Динамическая вязкость воды составляет 8,90·10−4 Па·с при температуре около 25 °C. Как функция температуры: T = A × 10B/(T−C), где A = 2,414·10−5 Па·с; B = 247,8 K; C = 140 K.

Значения вязкости жидкой воды при разных температурах вплоть до точки кипения приведены в таблице:

Температура, °C Вязкость, мПа·с
10 1,308
20 1,002
30 0,7978
40 0,6531
50 0,5471
60 0,4668
70 0,4044
80 0,3550
90 0,3150
100 0,2822

Динамическая вязкость разных веществ

Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости некоторых ньютоновских жидкостей:

Вязкость отдельных видов газов
Газ при 0 °C (273 K), мкПа·с при 27 °C (300 K), мкПа·с
воздух 17,4 18,6
водород 8,4 9,0
гелий 20,0
аргон 22,9
ксенон 21,2 23,2
углекислый газ 15,0
метан 11,2
этан 9,5
Вязкость жидкостей при 25 °C
Жидкость Вязкость, Па·с Вязкость, мПа·с
ацетон 3,06·10−4 0,306
бензол 6,04·10−4 0,604
кровь (при 37 °C) (3—4)·10−3 3—4
касторовое масло 0,985 985
кукурузный сироп 1,3806 1380,6
этиловый спирт 1.074·10−3 1.074
этиленгликоль 1,61·10−2 16,1
глицерин (при 20 °C) 1,49 1490
мазут 2,022 2022
ртуть 1,526·10−3 1,526
метиловый спирт 5,44·10−4 0,544
моторное масло SAE 10 (при 20 °C) 0,065 65
моторное масло SAE 40 (при 20 °C) 0,319 319
нитробензол 1,863·10−3 1,863
жидкий азот (при 77K) 1,58·10−4 0,158
пропанол 1,945·10−3 1,945
оливковое масло 0,081 81
пек 2,3·108 2,3·1011
серная кислота 2,42·10−2 24,2
вода 8,94·10−4 0,894

Вязкость парафина

Парафин является смесью углеводородов преимущественно метанового ряда. Парафины бывают жидкими (температуре их плавления составляет менее 27 °C), твердыми (28–70 °C), микрокристаллическими (или церезины, плавятся при температуре свыше 60–80 °C). Размер и форма кристаллов обусловлена особенностями их получения. Так, нефтяное сырье и медленное охлаждение обеспечивают мелкие тонкие кристаллы, а крупные получаются из селективно очищенных дистиллятных рафинатов.

Расплавленные парафины обладают небольшой вязкостью. Но при одинаковой температуре наиболее вязкими являются церезины.

Применяются парафины для изготовления парафинистой бумаги, пропитывания древесины в карандашном и спичечном производстве, для аппретирования тканей, в медицине для парафинотерапии и пр.

Вязкость спирта

Спирты представляют собой органические соединения, углеводороды, которые обязательно содержат гидроксильную группу ОН (одну или несколько), связанную с углеводородным радикалом.

Спирты бывают жидкими, вязкими, твердыми — это обусловлено количеством в молекуле углеводородных радикалов. С ростом их количества снижается водорастворимость вещества.

Хотя некоторые спирты токсичны для человека (этиленгликоль, метилен), они необходимы для естественных процессов метаболизма в организме. Так, многие липиды, поставщики энергии, в своей основе имеют глицерин (представитель спиртов).

Вязкость многих спиртов соизмерима с соответствующим показателем у воды. Например, вязкость этилового спирта составляет 0,00119 Па•с.

Спирты перекачивают импеллерными, мембранными, шланговыми насосами.

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.

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 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

Примечания

  1. Внутреннее трение в металлах, полупроводниках, диэлектриках и ферромагнетиках: Сб. статей (рус.) / Под ред. Ф. Н. Тавадзе. — М.: Наука, 1978. — 235 с.
  2. В общем случае это не так.
  3. 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.
  4. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и превмосистем : Учеб. для машиностроительных вузов. — М. : Машиностроение, 176. — С. 175. — 424 с.
  5. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. — Ленинград, Наука, 1975. — с. 226.
  6. Ojovan M. Viscous flow and the viscosity of melts and glasses. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143—150 (2012).

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.

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.

Все производители лакокрасочных материалов обязаны указывать поставочную вязкость своих продуктов на упаковке

С помощью вышеописанного теста легко проверить, не подвергался ли материал каким-либо изменениям во время поставки, которая часто осуществляется через посредников.

После добавления в лакокрасочный материал разбавителя его вязкость значительно снижается. Кроме снижения вязкости материала это также приводит к сокращению его сухого остатка и, следовательно, толщины лакокрасочной плёнки.

Однако, сухой остаток довольно сложно проверить без специальных лабораторных условий, но можно проконтролировать вязкость ЛКМ и сопоставить её с данными на оригинальный продукт из технической спецификации.

Изготовители указывают количество добавляемого разбавителя (по весу или по объёму), необходимого для придания лакокрасочному материалу рабочей вязкости для нанесения оборудованием определённого типа.

Это количество устанавливается производителем ЛКМ и является действительным при стандартных условиях, которые включают в себя температуру окружающей среды и лакокрасочного материала 20 С и влажность воздуха 50%. На практике данные условия выполняются очень редко.

Если температура лакокрасочного материала ниже, его вязкость увеличивается, и, следовательно, требуется большее количество разбавителя для придания продукту необходимой технологичности.

Регулярно проверяйте рабочую
вязкость лакокрасочного продукта

Рекомендуется регулярно измерять рабочую вязкость продукта,
обычно это удобно делать чашкой DIN4. Только в этом случае
можно определить необходимую степень разбавления
лакокрасочного материала вне зависимости от температурных
условий.

Обычная практика такова, что маляр не проверяет вязкость, а
если вискозиметр и есть, то он валяется где-нибудь в углу.
То есть, в лучшем случае готовится рабочая смесь согласно
спецификации и поехали.

Если лакокрасочный материал тяжело наносится, то добавляется
больше разбавителя и наоборот. А если маляр долго работает и
считает себя профессионалом, то он даже этим бравирует, что
может всё делать на глаз, а потом удивляется почему краска
течёт или шагрень
.

Поэтому, регулярно проверяйте рабочую вязкость лакокрасочного продукта,
как сказано в конце статьи.

Читайте далее:

  • как точно подобрать цвет краски
  • как измерить степень блеска лакокрасочного покрытия
  • как измерить твердость лакокрасочного покрытия
  • как измерить адгезию лакокрасочного материала
  • как измерить вязкость ЛКМ
  • как определить толщину нанесенного слоя
    краски

Способ определения

Единица кинематической вязкости была определена ещё в конце сороковых годов двадцатого века советским ученым Я. И. Френкелем. В своих уравнениях он описывал механизм скатывания капель различных жидкостей с различных наклонных поверхностей (формула 2.1, см. рисунок выше), где r и m — радиус и масса капли, α — критический угол скатывания капли, θ — угол отекания капли, σ — коэффициент трения. Из теории о движении молекул и обосновании времени их «осёдлости» Френкелем (и, независимо от него, на два года позже, французским физиком Андраде) было получено соотношение для расчета динамической вязкости (формула 2.2). Такая зависимость носит название «уравнение Френкеля — Андраде», хотя в зарубежной литературе имя советского физика часто опускают, называя её формулой Андраде.

Вязкость некоторых веществ

Для авиастроения и судостроения наиболее важно знать вязкости воздуха и воды.

Вязкость воздуха

Зависимость вязкости сухого воздуха от давления при температурах 300, 400 и 500 K

Вязкость воздуха зависит в основном от температуры.
При 15,0 °C вязкость воздуха составляет 1,78⋅10−5 кг/(м·с) = 17,8 мкПа·с = 1,78⋅10−5 Па·с. Можно найти вязкость воздуха как функцию температуры с помощью программ расчёта вязкостей газов.

Вязкость воды

Зависимость динамической вязкости воды от температуры в жидком состоянии (Liquid Water) и в виде пара (Vapor)

Динамическая вязкость воды составляет 8,90·10−4 Па·с при температуре около 25 °C. Как функция температуры: T = A × 10B/(TC), где A = 2,414·10−5 Па·с, B = 247,8 K, C = 140 K.

Значения динамической вязкости жидкой воды при разных температурах вплоть до точки кипения приведены в таблице:

Температура, °C Вязкость, мПа·с
10 1,308
20 1,002
30 0,7978
40 0,6531
50 0,5471
60 0,4668
70 0,4044
80 0,3550
90 0,3150
100 0,2822

Динамическая вязкость разных веществ

Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости некоторых ньютоновских жидкостей:

Вязкость отдельных видов газов
Газ при 0 °C (273 K), мкПа·с при 27 °C (300 K), мкПа·с
воздух 17,4 18,6
водород 8,4 9,0
гелий 20,0
аргон 22,9
ксенон 21,2 23,2
углекислый газ 15,0
метан 11,2
этан 9,5
Вязкость жидкостей при 25 °C
Жидкость Вязкость, Па·с Вязкость, мПа·с
ацетон 3,06·10−4 0,306
бензол 6,04·10−4 0,604
кровь (при 37 °C) (3—4)·10−3 3—4
касторовое масло 0,985 985
кукурузный сироп 1,3806 1380,6
этиловый спирт 1.074·10−3 1.074
этиленгликоль 1,61·10−2 16,1
глицерин (при 20 °C) 1,49 1490
мазут 2,022 2022
ртуть 1,526·10−3 1,526
метиловый спирт 5,44·10−4 0,544
моторное масло SAE 10 (при 20 °C) 0,065 65
моторное масло SAE 40 (при 20 °C) 0,319 319
нитробензол 1,863·10−3 1,863
жидкий азот (при 77K) 1,58·10−4 0,158
пропанол 1,945·10−3 1,945
оливковое масло 0,081 81
пек 2,3·108 2,3·1011
серная кислота 2,42·10−2 24,2
вода 8,94·10−4 0,894

Что такое вязкость

Важной характеристикой вещества является его вязкость. Вязкость жидкости — это ее способность оказывать сопротивление перемещению одних частиц относительно других, то есть противостоять касательным усилиям в потоке

Данный параметр среды нельзя обнаружить в состоянии покоя, он оценивается только во время движения вещества, когда начинают действовать силы сцепления между молекулами.

Существует две разновидности вязкости: динамическая (или абсолютная) и кинетическая. Оба показателя уменьшаются при повышении температуры вещества.

Данное свойство присутствует у всех веществ, которые обладают текучестью. Текучесть — это сдвиг (перемещение) одних частиц по отношению к другим той же самой среды. За счет силы внутреннего трения вязкость противостоит процессу текучести. Данная формулировка относится не только к жидким, но и к газообразным веществам. А вот применительно к твердым это свойство имеет несколько другую природу.

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 сыра

Сыр — это пищевой продукт, получаемый из молока путем введения молочнокислых бактерий, ферментов, способствующих его свертыванию, либо посредством плавления молочных продуктов.

Сыры классифицируются на твердые, мягкие, плавленые, рассольные. Показатель вязкости целесообразно рассматривать у плавленых сыров.

Вязкость данного продукта снижается при повышении содержания в нем влаги. На нее также влияет зрелость исходного сырья, вид и доза солей-плавителей, активная кислотность сыра. В слабой степени на вязкость влияет содержание в сырье жира, хотя он и увеличивает пластичность сырной массы.

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 длина пробега ⟨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

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.

Вязкость глицерина

Глицерин представляет собой органическое соединение, относящееся к группе спиртов (трехатомный спирт). Это бесцветная сиропообразная жидкость, сладковатая на вкус, с широким спектром использования: востребована не только в лекарственных и косметических целях, но и в пищевой, лакокрасочной, бумажной, текстильной промышленности, электротехнике, сельском хозяйстве и пр. Добывают глицерин из растительных жиров или посредством химического синтеза.

Вязкость глицерина довольно высока — составляет 1,48 Па•с при температуре 20 °С, а это почти в 1500 раз выше вязкости воды.

Для перекачивания глицерина больше всего подходят шестеренчатые, импеллерные и мембранные насосы.

Вязкость газов

Вязкость газов (явление внутреннего трения) — это появление сил трения между слоями газа, движущимися друг относительно друга параллельно и с разными по величине скоростями. Вязкость газов увеличивается с ростом температуры

Взаимодействие двух слоев газа рассматривается как процесс, в ходе которого от одного слоя к другому передается импульс. Сила трения на единицу площади между двумя слоями газа, равная импульсу, передаваемому за секунду от слоя к слою через единицу площади, определяется законом Ньютона:

τ=-η•dν/dz

где:
dν/dz — градиент скорости в направлении перпендикулярном направлению движения слоев газа.
Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
η — динамическая вязкость.

η=1/3•ρ(ν)•λ,

ρ — плотность газа,
(ν) — средняя арифметическая скорость молекул
λ — средняя длина свободного пробега молекул.

Вязкость некоторых газов (при 0°C)

Вещество Вязкость 10 -5 кг/(м*с)
Азот 1,67
Аммиак 0,93
Водород 0,84
Воздух 1,72
Гелий 1,89
Гелий 1,89
Кислород 1,92
Метан 1,04
Углекислый газ 1,40
Хлор 1,29
Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector