Вязкость

Кинематическая вязкость масла – а какие еще бывают вязкости?

20.03.2018

Начнем с азов. Любая жидкость в данном случае масло, применяемая в сложных механизмах, имеет свою вязкость. Оставим в покое химию, хотя она, безусловно, делает смазку именно тем продуктом, за который мы платим деньги.

Рассмотрим одно из важнейших физических свойств — вязкость масла. Несмотря на то, что параметр непосредственно зависит от химического состава, это чистая физика. Вязкость напрямую зависит от температуры масла и от давления.

Демонстрация текучести масла на компараторе вязкости

Оба этих фактора регулируются системами двигателя:

• охлаждения;
• вентиляции картера.

Абсолютное значение – динамическая вязкость. Более гибкая величина (зависит от нескольких факторов) – кинематическая. По традиционной системе СГС (сантиметр-грамм-секунда), измеряется вязкость в пуазах (динамика) и стоксах (кинематика). Существуют и другие единицы измерения.

Что такое вязкость масла?

Это достаточно сложное понятие. С теоретической точки зрения – это сопротивление течению жидкости (антипод текучести). С точки зрения практической физики – сопротивление формируется силой трения между частицами, из которых состоит масло.

Демонстрация зависимости вязкости масла от температуры

В первую очередь, от вязкости зависят смазывающие свойства моторного масла. Благодаря правильному балансу, смазка равномерно распределяется и удерживается на поверхности деталей. Снижается трение, механизмы меньше изнашиваются, на их движение тратится меньше энергии. Побочный эффект – экономия топлива.

Поскольку вязкость масла зависит от температуры и давления, необходимо придать химическому составу такие характеристики, которые позволят моторному маслу сохранять параметры при любых условиях эксплуатации.

Нельзя допускать, чтобы в пределах рабочей температуры двигателя, свойства технических жидкостей менялись. Для уточнения этого параметра, рядом с числовым значением вязкости так или иначе указывается условие, при котором производится измерение. Это информация для лаборантов. а не покупателей смазки.

Поэтому, при подборе моторного масла, следует обращать внимание именно на этот параметр.

При использовании моторного масла с нарушениями заводских рекомендаций, вязкость либо не будет соответствовать температурным условиям, либо ее значение будет непредсказуемо меняться.

Это может привести к следующим неприятностям:

1. Смазка загустеет и затруднится её перемещение по масляным каналам;
2. Толщина рабочей пленки не будет соответствовать требованиям мотористов-изготовителей;
3. Масло не удержится в рабочей зоне, металл останется «голым».

В результате возникнет масляное голодание, и эффект сухого трения. Детали будут перегреваться и ускоренно изнашиваться, что неминуемо приведет к поломке двигателя.

Последствия масляного голодания двигателя

Кинематическая, динамическая и относительная вязкость моторного масла

Базовый (абсолютный) параметр – это динамическая вязкость масла.

Если нанести на поверхность с тарированной гладкостью, масляное пятно площадью 1 см², то для движения его со скоростью 1 см/с потребуется определенное усилие.

По отношению этой силы к площади пятня – определяется динамическая вязкость. Эту величину обычно рассчитывают под различные значения температуры. Измеряется в миллипаскалях, разделенных на время в секундах: мПа/с.

Кинематическая вязкость масла связана с его плотностью, и непосредственно зависит от температуры механизма, в котором применяется смазка. Поскольку сертификационные измерения производятся в диапазоне рабочих температур двигателя (от +40°С до + 100°С), это и есть главный эксплуатационный показатель моторного масла. Максимальное допустимое значение температуры: + 150°С.

Параметр непосредственно связан со значением динамической вязкости, и представляет собой её соотношение к плотности жидкости. Разумеется, измерение проводится в одинаковых температурных условиях для абсолютной вязкости и плотности. Единица измерения – квадратный метр за секунду: м²/с.

Демонстрация относительной вязкости

Относительная вязкость моторного масла – это число, определяющее разность превышения над вязкостью дистиллированной воды. Оба измерения также производятся при одинаковой температуре: +20°С.

Единица измерения вязкости масла – градус Энглера (E°). Этот способ измерения вспомогательный, на его основе не определяется маркировка моторного масла.

Но без этой процедуры (результаты обязательно отражаются в протоколах) невозможно получить заводской допуск для конкретной марки автомобилей.

Международный стандарт вязкости масел и виды смазок

Разумеется, маркировка на емкостях со смазочными материалами, не подразумевает наличие формул и единиц измерения из учебника физики. Обозначение упрощенное и формализованное.

Типовые значения степеней вязкости по SAE приняты давно, между всеми производителями смазочных материалов и автомобильными концернами достигнуты соглашения. Стандарт действует на всех континентах, его можно найти на упаковке любого бренда.

Способ определения вязкости нефтепродуктов — видео

Методика определения вязкости постоянно совершенствуется. Сегодня применяется редакция SAE J300, по которой все смазочные материалы (для моторов) подразделяются на 11 групп (классов). При этом, предыдущие редакции имеют обратную совместимость с новыми.

Классификация по сезонам применения:

1. Для зимней эксплуатации применяется маркировка определения низкотемпературной вязкости W: (SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W).
2. Летние моторные масла обозначаются так: (SАЕ 20, 30, 40, 50, 60).

Поскольку нахождение автомобилей в строго определенных условиях встречается не часто, в основном применяются так называемые всесезонные моторные масла (могут быть минеральными, синтетическими, или полусинтетическими). В зависимости от условий эксплуатации, применяется комбинированная маркировка: SАЕ 0W-30, SAE 15W-40, SAE 20W-50 и пр.Примерный перечень зависимости классификации от температуры показан в таблице:

Для нормальной работы двигателя, кинематическая вязкость моторного масла определяется двумя значениями. Первая цифра означает принадлежность к условиям зимней эксплуатации двигателя.

Правильно подобранная смазка должна обеспечить холодный запуск движка при заданной температуре. То есть, те самые показатели скорости течения масла, которые определяются в лабораториях при различных температурах, применяются на практике. Если залить жидкость с неправильным значением по SAE, коленчатый вал может просто не провернуться при вполне нормальной температуре -25°С.

А в самом критическом случае – смазка может дойти до точки кипения. Тогда характеристики быстро деградируют, и вместо технологичной технической жидкости в картере будет смесь отдельных фракций. Тут и до капитального ремонта недалеко.

Методики измерения кинетической вязкости масла

1. Низкотемпературная вязкость – способность прокачиваться через систему маслопроводов после запуска двигателя. Определяется по универсальным (для всех участников SAE классификации) методике ASTM D 4684 и ASTM D 5293. В стендовых условиях имитируется холодный пуск мотора и прогон технической жидкости по тарированным трубкам.

   Можно использовать ротационный вискозиметр, но в нем не учитываются силы поверхностного натяжения. При этом определяется минимально возможная температура, при которой сохраняются заявленные показатели вязкости. Кроме того, проверяется способность жидкости уверенно проходить через масляный фильтр. Силы давления насоса вполне достаточно, чтобы порвать загустевшим маслом мембрану.

   Методика проверки принята стандартом GM 9099 P.

2. Высокотемпературная вязкость оценивается на образцах из той-же партии. Кинематические характеристики проверяются с помощью капиллярного вискозиметра при типичной температуре прогретого двигателя: 100°С. Методика имеет название ASTM D 445. Затем жидкость прогревается до температуры 150°С.

   Это пиковые значения, когда масло касается раскаленной нижней части поршня. В этом диапазоне скорость сдвига (один из показателей кинематической вязкости) не должен выходить за установленный стандарт. Верхний предел оценивается по методике ASTM D 4683 или ASTM D 4741.

Существует еще оценка стабильности к сдвигу при одновременном воздействии температуры и механики.

Проверка производится на специальной тарированной форсунке, в течение 10 симулированных рабочих часа.

И если производитель смазки хочет получить дополнительный сертификат, он вынужден проходить все испытания. Это влечет за собой определенные затраты, зато открывает дорогу к новым рынкам и потребителям.

Наиболее успешные тесты учитываются при выборе ОЕМ поставщика расходных материалов.

Заключение

При выборе смазки не обязательно помнить (или иметь под рукой) все перечисленные в материале формулы или методики. Достаточно прочитать на этикетке заводские данные вязкости по стандарту SAE, и найти в перечне допусков ваш автомобиль. Под этими комбинациями символов и цифр, скрываются многостраничные отчеты о проведенных испытаниях.

Как выбрать масло ориентируясь на его вязкость — видео

Идеальный вариант подбора масла – выяснить, с какой торговой маркой заключено ОЕМ соглашение на поставку расходных материалов у вашего автопроизводителя. В этом случае вы точно будете уверены, что кинематическая вязкость моторного масла соответствует вашему мотору.

Кинематическая вязкость масла – а какие еще бывают вязкости? Ссылка на основную публикацию

Вязкость жидкости

Определение 1

Вязкость жидкости означает внутреннее трение и представляет собой одно из явлений переноса.

Другим словами, это свойство текучих тел (то есть газов и жидкостей), которое заключается в оказании сопротивления перемещению одной их части в отношении другой.

Следствием такого перемещения становится работа, которая изначально затрачивалась на данное перемещение, а затем происходит ее рассеивание в виде тепла.

Рисунок 1. Вязкость жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Принцип действия механизма внутреннего трения в жидкостях и газах при этом заключается в переносе хаотически движущихся молекул импульса от одного слоя к другому, что, в свою очередь, способствует выравниванию скоростей (введение такого понятия как сила трения). Таким образом вязкость твёрдых тел обладает целым набором специфических особенностей.

Виды вязкости

Существует несколько разновидностей вязкости:

• динамическая;
• кинематическая;
• условная.

Динамическая вязкость в международной измерительной системе измеряется в паскалях в секунду. С точки зрения физики, данная величина демонстрирует изменение потерь давления за единицу времени.

В системе СГС она измерима в пуазах (название дано в честь французского физика Ж. Пуазёйля.

Динамическая вязкость жидкостей склонна уменьшаться при увеличении температуры, а ее повышение наблюдается с увеличением показателя давления.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Измерение кинематической вязкости осуществляется в стоксах, что представляет основополагающее значение свойства текучих сред. При задействовании специального прибора вискозиметра становится возможным измерение вязкости любой жидкости. Ее тарированный объем пропускается через калиброванное отверстие (исключая механическое побуждение) и под влиянием одной только силы тяжести.

Рисунок 2. Динамическая вязкость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Условная вязкость представляет величину, косвенным образом характеризующую гидравлическое сопротивление течению. При этом она измеряется временем истечения заданного объема раствора через вертикальную трубку с определенным диаметром. Измерение осуществляется в градусах Энглера (в честь немецкого химика).

Методы определения вязкости жидкости

Рисунок 3. Методы определения вязкости жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Процесс измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. В современных условиях определение вязкости жидкости становится возможным с помощью следующих четырех методов:

1. Капиллярный метод. Для проведения этого метода потребуется наличие двух сосудов, которые соединены между собой посредством стеклянного канала с небольшим диаметром и с известной длиной. Также потребуется изначальное знание значения давления в каждом из сосудов. Жидкость помещают в стеклянный канал, а она далее за определенный промежуток времени перетекает из одной колбы в другую. Дальнейшие подсчеты будут производиться благодаря формуле Пуазейля (определение коэффициента вязкости жидкости). Современные капиллярные вискозиметры состоят из качественного и стойкого материала, способного выдерживать большие температурные нагрузки.
2. Медицинский метод по Гессе. С целью расчета вязкости жидкости таким образом, потребуется наличие не одной, а двух идентичных капиллярных установок, в одну из которых помещается среда с предварительно известным значением внутреннего трения, а во второй будет находиться помещенная туда исследуемая жидкость. В дальнейшем выполняется измерение двух значений времени и составление пропорции, по которой можно выйти на нужное число.
3. Ротационный метод потребует наличия конструкции из двух соосных цилиндров, что предполагает нахождение одного и них внутри другого. В промежуток между ними заливается жидкость, а далее внутреннему цилиндру придается определенная скорость. данная угловая скорость также сообщается жидкости. Вязкость среды определяется при этом благодаря разнице в силе момента.
4. Метод Стокса. Проведение такого опыта требует наличие вискозиметра Гепплера, представляющего собой заполненный жидкостью цилиндр. До начала эксперимента на цилиндре делаются две пометки и затем между ними измеряется длина. Дальше берется шарик определенного радиуса R, который затем опускается в жидкую среду. Для вычисления скорости его падения определяется время передвижения объекта от одной метки к другой. Знание скорости движения шарика позволяет определить вязкость жидкости.

Вязкость в практическом применении

Замечание 1

Известны способы широкого применения свойства вязкости жидкости в практическом смысле. Так, определение вязкости большое практическое значение имеет: в условиях нефтеперерабатывающей промышленности. работа с многофазными, дисперсными средами подразумевает знание их физических свойств, в особенности – внутреннего трения.

Современные вискозиметры делаются из прочных материалов, а их производство требует задействования передовых технологий.

Вязкость жидкости большую роль играет и в промышленности, поскольку транспортировка, добыча и переработка, например, нефти будут зависеть от значений внутреннего трения у жидкостной смеси.

Также существенную роль свойство вязкости жидкости играет и для медицинского оборудования. Так, поступление газовой смеси посредством эндотрахеальной трубки зависит от внутреннего трения данного газа. Здесь по-разному будет отражаться изменение значений вязкости среды на проникновении воздуха через аппарат (зависимость от состава газовой смеси).

Введение вакцин и лекарственных препаратов, через шприц также представляет яркий пример действия вязкости среды. Здесь имеются в виду перепады давления на конце иголки в момент впрыскивания жидкости, несмотря на факт изначального пренебрежения учеными данным физическим явлением. Возникновение высокого давления на наконечнике представляет собой следствие действия внутреннего трения.

Таким образом, вязкость среды считается одной из физических величин, обладающей широким практическим применением. В лаборатории, промышленности, а также медицине понятие внутреннего трения фигурирует довольно часто. Функционирование простейшего лабораторного оборудования зависимо от степени вязкости среды, используемой в исследованиях.

В вязкость

Поведение жидкостей с с малой (вверху) и большой (внизу) вязкостью

Вязкость или внутреннее трение — свойство текучих тел ( жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Единица измерения — пуаз.

1. Природа вязкости

Вязкость жидкостей — это результат взаимодействия внутримолекулярных силовых полей, препятствующие относительному движению двух слоев жидкости.

Следовательно, для перемещения слоя друг друга надо преодолеть их взаимное притяжение, причем чем он больше, тем больше нужна сила сдвига.

При относительном смещении слоев в газовой среде, в результате переноса молекулами газа количества движения во время их перехода из слоя в слой, возникает касательная сила между слоями препятствует скольжению последних.

Таким образом, внутреннее трение в жидкости, в отличие от газов, обусловлено не обменом молекул, а их взаимным притяжением. Доказательством этого является то, что с увеличением температуры, как известно, обмен молекул возрастает и трение в газах возрастает, а в жидкостях приходит в связи с ослаблением межмолекулярного притяжения.

Вязкость твердых тел обладает рядом специфических особенностей и обычно рассматривается отдельно.

2. Общая характеристика

Согласно закону Ньютона для внутреннего трения вязкость характеризуется коэффициентом пропорциональности между напряжением смещения и градиентом скорости движения слоев в перпендикулярном к деформации сдвига направлении (поверхности слоев):

.

Коэффициент называют коэффициентом динамической вязкости, динамической вязкости или абсолютной вязкостью. Единица измерения коэффициента динамической вязкости — Па c, Пуаз (0,1 Па с).

Количественно коэффициент динамической вязкости равен силе F, которую нужно приложить к единице площади сдвижной поверхности слоя S, чтобы поддержать в этом слое ламинарные течения с постоянной единичной скоростью относительного смещения.

2.1. Типы вязкости

Закон Ньютона для вязкости, приведенный выше, является классической моделью вязкости.

Это не основной закон природы, а приближение, что имеет место для некоторых материалов и не подтверждается для других.

Неньютоновской жидкости имеют более сложный связь между напряжением сдвига и градиентом скорости, чем простая линейность. Поэтому, для различных видов жидкостей разные модели вязкости:

• Ньютоновская жидкость : жидкость, такая как вода и большинство газов имеет постоянное значение динамической вязкости.
• Дилатантна жидкость : жидкость, вязкость которой с ростом градиента скорости возрастает (глиняные суспензии, сладкие смеси, гидрозолей кукурузного крахмала, системы песок / вода).
• Псевдопластик : жидкость, вязкость которой с ростом градиента скорости уменьшается (краски, эмульсии, некоторые суспензии).
• Tиксотропна жидкость: жидкость, вязкость которой с течением времени уменьшается (водоносные почвы (плывуны), биологические структуры, различные технические материалы).
• Реопексна жидкость: жидкость, вязкость которой с течением времени возрастает (гипсовые пасты, суспензии оксида ванадия, Бетониты и отдельные виды принтерного чернил).
• Бингамивський пластик: модель Бингама подобна модели сухого трения. В статических условиях жидкость ведет себя как твердый материал, а при силовом воздействии начинает течь ..
• Магнитореологична жидкость это тип «смарт-жидкости», которая, при воздействии магнитного поля значительно увеличивает свою условную вязкость и приобретает свойства вязко-упругой твердого тела.

2.2. Динамическая вязкость некоторых веществ

В основу методов измерения вязкости и их классификации положены математические зависимости, описывающие различные виды течений сред. Измерение вязкости осуществляют вискозиметрами.

Ниже приведены значения коэффициента динамической вязкости ньютоновских жидкостей :

Выделяют также коэффициент кинематической вязкости или кинематической вязкостью ν, что является отношением коэффициента динамической вязкости к плотности вещества

.

Единица измерения коэффициента кинематической вязкости — Стокс, м / с. Коэффициент ν в отличие от η выражается величинами, которые не связаны с массой жидкости, т.е. величинами, которые носят, так сказать, кинематический характер, в то время как η носит динамический характер.

Вязкость зависит от давления, температуры, а также иногда от градиента сдвига ( неньютоновские среды; их вязкость охватывает и так называемую структурную вязкость).

Жидкости, вязкость которых не зависит от градиента сдвига, называют идеально вяжущими ( ньютоновскими).

Вязкость жидкостей в общем случае с повышением давления незначительно увеличивается, а с повышением температуры уменьшается.

3. Вязкость воды

Температурная зависимость динамической вязкости воды в жидком состоянии (Liquid Water) и в виде пара (Wapor)

Динамическая вязкость воды составляет 8,90 10 -4 Па с или 8,90 10 -3 дин с / см 2 при 25 C.

Как функция температуры T (K) динамическая вязкость воды может быть описана уравнением: μ (Па с) = A 10 B / (T — C),
где A = 2,414 10 -5 Па с; B = 247,8 K, и C = 140 K.

Вязкость воды в жидком состоянии при различных температурах вплоть до температуры кипения при атмосферном давлении приведена в таблице, представленной ниже.

4. Вязкость воды в горных породах

Вязкость воды, содержащиеся в горных породах, изменяется в широких пределах в зависимости от минерализации, температуры пласта и внутришньопорового давления.

На небольших глубинах динамический коэффициент вязкости маломинерализованных вод около 1 мПа с, в глубоких пластах с высокой температурой (60-70 С и выше) динамический коэффициент вязкости минерализованных вод уменьшается до десятков частиц мПа с.

В процессах обогащения твердых полезных ископаемых вязкость влияет на скорость относительного перемещения частиц в суспензии, является основным параметром обогащения в тяжелых средах. Вязкость зависит не только от плотности суспензии (соотношение твердого и жидкого), но и от величины и гидрофильности частиц.

Образование тиксотропных сеток-структур в суспензии приводит к резкому росту ее вязкости за счет возникающую кроме обычной (ньютоновской) структурной составляющей вязкости. Последняя зависит от градиента скорости течения и обратимо разрушается в турбулентных потоках, при вибрациях и механических воздействиях.

5. Вязкость нефти

Вязкость — одна из важнейших технических характеристик нефти, продуктов ее переработки, газовых конденсатов и фракций, определяет характер процессов добычи нефти, ее подъем на дневную поверхность, промышленного сбора и подготовки, условия перевозки и перекачки продуктов, гидродинамического сопротивления при их транспортировке по трубопроводах и др.. Для некоторых видов топлив и масел вязкость служит нормированным показателем. Вязкость пластовых нефтей возрастает при давлениях ниже давления насыщения. Определяется влиянием двух факторов: выделением растворенного газа, что приводит к увеличению вязкости остаточной нефти, и объемным расширением нефти при снижении давления, что приводит к уменьшению вязкости. Большое влияние имеет первый фактор. Вязкость газов заметно увеличивается как с повышением давления, так и температуры. Углеводородные флюиды, насыщающие горные породы в естественных условиях, в зависимости от плотности имеют динамический коэффициент вязкости, который отличается на много порядков — от сотых долей мПа с (для газов) до сотен тысяч и даже миллионов мПа с (высоковязкие тяжелые нефти) . Основная часть разрабатываемых традиционными способами нефтяных месторождений включает в продуктивных пластах нефть с динамическим коэффициентом вязкости в пределах 0,5-25 мПа с, реже до 70 мПа с. Вязкость розгазованих нефтей значительно выше. При этом углеводородные флюиды с динамическим коэффициентом вязкости более 12-15 мПа с считаются нефти повышенной вязкости. Месторождения нефти с высокой вязкостью, в том числе структурной, разрабатываются с применением специальных методов добычи на основе использования теплового воздействия, а также загущенных или химически активных вытеснительный агентов.

6. Вязкость твердого тела

Для твердого тела, в частности горной породы, вязкость — свойство необратимо поглощать энергию в процессе ее деформирования. Вязкость обусловлена ​​пластической деформацией и непружнистю горных пород.

При пластической деформации вязкость количественно характеризуется отношением величины касательных напряжений, возникающих в слое, подлежащей сдвига, к скорости пластического течения, которое изменяется от 10 13 до 10 20 Па с.

Величина вязкости, которая связана с непружнистю (упругая последействие, термоупругое эффект, упругий гистерезис) горных пород, пропорциональна коэффициенту механических потерь (декремента затухания), значение которого колеблются от 10 -1 до 10 -3.

На практике определяют коэффициент относительной вязкости (специальными зарядами, которые закладываются в исследуемый массив) как отношение усилия, необходимого для отделения некоторой части горной породы от массива, до величины усилия, необходимого для отделения от массива известняка, взятого за эталон.

Величина этого коэффициента изменяется от 0,5 до 3 (напр., для мрамора 0,7; песчаника 1,2; гранита 1,3; кварцита 1,9; базальта 2,2). С увеличение вязкости возрастает поглощение упругих волн, уменьшаются ползучесть и набухания пород, возрастает энергоемкость процессов дробления и крошения пород при переработке полезных ископаемых и взрывных работ.

Вязкость твердых тел и жидкостей обратно пропорциональна коэффициента самодиффузии и с повышением температуры уменьшается по экспоненциальному закону. Вязкость зависит от периода релаксации упругих касательных деформаций.

6.1. Опыт Парнелла — Мейнстоуна

Самый физический эксперимент начал в Квинслендском университете англ. University of Queensland австралийского города Брисбен профессор Томас Парнелл.

В 1927 году он поместил в стеклянную воронку на штативе кусок твердой смолы, которая по молекулярным свойствам является жидкостью, хотя и очень вязкой. Парнелл нагрел воронку, чтобы смола слегка розплавлась и затекла к носику воронки.

В 1938 году первая капля смолы упала в подставленный Парнеллом лабораторный стакан. Вторая упала в 1947 году. Осенью 1948 года профессор скончался, и наблюдение продолжили его ученики. Капли падали в 1954, 1962, 1970, 1979, 1988, 2000 и 2008 годах.

Периодичность падения капель 3285 суток. В последние десятилетия замедлилась из-за работы кондиционера. Интересно, что ни разу капля не падала в присутствии наблюдателей.

Джон Мейнстоун с альма-матер профессора Парнелла был награжден в 2005 году Игнобелевской премии в области физики за самый эксперимент.

7. Области применения

Вязкость веществ учитывают в гидродинамике, кинетике химических реакций, в технологических и биологических процессах, смазке машин и механизмов и т.д..

Литература

• Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. — М.: «Донбасс», 2004. — ISBN 966-7804-14-3.
• Левицкий Б.Ф., Лещiй Н.П. Гiдравлiка. Общий курс. — Львов: Свит, 1994. — 264с.
• Константинов Ю.М., Гижа А.А. Техническая механика жидкости и газа: Учебник. — М.: Высшая школа, 2002.-277с.: Ил.
• Кулинченко В.Р. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод: Учебник-Киев: Фирма «Инкос» Центр учебной литературы, 2006.-616с.
• Колчунов В.И. Теоретическая и прикладная гидромеханика: Учеб. Пособие.-К.: НАУ, 2004.-336с.

2.1. Свойства капельных жидкостей: плотность и вязкость, единицы измерения

температурноерасширение, испаряемость, силыповерхностного натяжения.

2.1. Основные свойства капельных жидкостей

Основная система единиц, применяемаяв настоящее время это система СИ.Основными механическими единицамисистемы СИ являются: длина, измеряемаяв метрах, масса, измеряемая в кг, время,измеряемое в секундах.

1. Плотностью называетсямасса вещества, содержащаяся в единицеобъема. Различают абсолютную иотносительную плотность. Абсолютнаяплотность для однородной жидкостиравняется величине массыМ жидкостив объемеV,поделеннойна величину этого объемаV

ρ = М/V.(2.1)

Плотность измеряется в системе СИ вкг/м3, плотность пресной воды при4ºС составляетρв= 1000 кг/м3, морской водыρмв= 1025кг/м3, плотность рабочей жидкостиМГ-30 при 20 ºСρрж= 880 кГ/м3,плотность воздуха –ρвз= 1,25 кг/м3.

δ = ρ/ρв.

Например, если 1 л бензинапри 20 °С имеет массу 730 г, а 1 л воды при4 °С — 1000 г, то относительная плотностьбензина будет равна 0,73.

Относительная плотность для ртути δрт= ρрт/ρв= 13600/1000 = 13,6, длявоздуха δвз= ρвз/ρв =0,00125, для рабочей жидкости- масла наминеральной основе δж= ρж/ρв= 880/1000 = 0,88

2. Удельным весомназывают вес единицыобъема жидкости. Для однородной жидкостиудельный вес равняется величине весаGжидкости,поделенной на величину объемаV,который она занимает

γ = G/V(2.2)

Удельный вес измеряется в системе СИ вН/м3.

В системе СИ удельный вес воды при 4ºСсоставляет γ = ρв*g= 1000*9,81 = 9,81*103Н/м3, удельныйвес рабочей жидкости МГ-30 при 20 ºС составляетγ = 880*9,81 = 8,64*103Н/м3.

Связь между удельным весом γиплотностью ρG = Мg,γV= ρVg,γ = ρ g(2.3)

В технической системе МКГСС – длина вметрах, основная единица – сила вкилограммах силы(кГс), время в секундах.

Удельный вес воды в системе МКГСС равен γв= 1000 кГс/м3, арабочей жидкости γрж=880 кГс/м3.

Если жидкость неоднородна, то формулы(2.1) и (2.2) определяют средние значенияудельного веса или плотности.

3. Вязкость жидкости

Вязкостью жидкости называется способность сопротивляться деформации(сдвигу ее слоев).

Трение при движении вязкой жидкости было открыто Ньютоном, он высказалгипотезу о возникновении касательныхнапряжений между слоями жидкости.

Вязкость есть свойство противоположноетекучести: в сравнении с водой болеевязкие жидкости, такие как рабочиежидкости для гидросистем, являютсяменее текучими, более вязкими.

Кроме обычных подвижных жидкостейсуществуют очень вязкие жидкости,сопротивление малым деформациям которыхзначительно, но в состоянии покоя равнонулю. По мере увеличения вязкости такаяжидкость все больше похожа на твердоетело.

Для медленной деформации обычнойжидкости необходимы весьма малые силы,при быстрой деформации жидкость подобнотвердому телу оказывает значительноесопротивление. Но как только движениежидкости прекращается, это сопротивлениеисчезает.

При течении вязкой жидкости из-затормозящего влияния неподвижного днаи трения слои жидкости будут двигатьсяс разными скоростями, значения которыхвозрастают при удалении от твердогодна (рис. 2.1). Скорость Vтем меньше, чем ближе слой жидкости кнеподвижной стенке, приу = 0 , V= 0.

Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиесяна расстоянии Δу. Слой А движетсясо скоростьюV,слой В со скоростьюV+ ΔV.

Из-заразности скоростей слой В сдвигаетсяотносительно слоя А на величинуΔV(заединицу времени). ВеличинаΔVявляется абсолютным сдвигом слоя В, а отношение Δυ/Δy– относительный сдвиг или градиентскорости.

При сдвиге аналогично явлениюсдвига в твердых телах появляютсякасательные напряжения τ.

Ньютон получил зависимость междукасательным напряжением и деформацией

τ = μ(Δυ/Δy) .

При стремлении величины Δy→0слои будут бесконечно сближаться иможно перейти к дифференциалам.

Закон Ньютона о трении в жидкости:

τ = μ(dυ/dy) (2.4).

Коэффициент пропорциональности μв формуле для определения касательногонапряжения в жидкости называетсядинамической(абсолютной) вязкостью ихарактеризует сопротивляемость жидкостисдвигу.

Экспериментально этот закон былподтвержден нашим соотечественникомпрофессором Н.П. Петровым в 1883 г.

Сила сопротивления сдвигу Т называетсясилой внутреннего трения, при постоянствекасательного напряжения на поверхностиS. Эта сила выражается формулой Ньютона

Т = τS = ± μ (dυ/dy)S, (2.2)

где μ— тот же коэффициентпропорциональности, что и в формуле длякасательного напряжения в жидкости.Знак перед значением силы выбираетсяв зависимости от знака градиента так,чтобы сила имела положительное значение.

Размерность динамической вязкостиможем получить из формулы для касательногонапряжения

[μ] = [τ]/[(dυ/dy)] (2.3).

В системе СИ единица динамическойвязкости называется «Паскаль- секунда».

В системе СГС единица динамическойвязкости называется «Пуаз» в честьфранцузского врача Пуазейля, исследовавшегозаконы движения крови в сосудах. 1 Пуаз= 1 (дина*сек)/см2.

Наряду с понятием динамической вязкостив гидравлике используют понятиекинематической вязкости.

Кинематической вязкостью называетсяотношение динамической вязкости кплотности

υ= μ/ ρ (2.4).

В размерности кинематической вязкостиотсутствуют единицы силы, ее легкоизмерить с помощью приборов носящихназвание вязкозиметров.

Единицей измерения кинематическойвязкости с системе СИ является м2/с,например вода приt= 20°Симеет кинематическую вязкость 10-6м2/с. В системе СГС единица измерениякинематической вязкости равна 1 см2/си называется Стокс(Ст) в честь английскогоученого Стокса, сотая доля стоксаназывается сантиСтоксом (сСт).

Рабочая жидкость на минеральной основеМГ-30 имеет вязкость при t= 20°С равную 150 сСт = 150 мм2/с = 1,5Ст= 1,5 см2/с = 1,5е-4 м2/с.

Вязкость капельных жидкостей приувеличении температуры уменьшается.Вязкость газов, с увеличениемтемпературы возрастает. Объясняетсяэто различием молекулярного строения.В жидкостях молекулы расположены гораздоближе друг к другу, чем в газах, и вязкостьвызывается силами молекулярногосцепления.

Эти силы с увеличением температурыуменьшаются, поэтому вязкость падает.В газах вязкость обусловлена, главнымобразом, беспорядочным тепловым движениеммолекул, интенсивность которогоувеличивается с повышением температуры.Поэтому вязкость газов с увеличениемтемпературы возрастает.

Обычно влияние температуры на вязкостьоценивается с помощью экспериментальныхграфиков в справочной литературе.Однако, влияние температуры и давления на вязкость жидкостей можно оценить спомощью экспоненциальных зависимости,связывающей вязкость и температуру, атакже давление и температуру.

Вязкость рабочей жидкости при увеличениитемпературы уменьшается, при этомтеряется смазывающая способностьрабочей жидкости. Возникает износ,прогорание трущихся поверхностейнасосов и подшипников, что может привестик авариям. Допустимый верхний пределприменения рабочей жидкости ВМГЗ(зимнее)равен 65ºС, вязкость 8 сСт, РЖ –МГ-30(летнее)80 ºС.

Зависимость вязкости от давления проявляется при давлениях в несколькодесятков МПа. С увеличением давлениявязкость большинства жидкостейвозрастает.

Например, если вязкость воды при давлении1 атм и 20 ºС принять за единицу, при тойже температуре и давлении 100 МПа онавырастет в 4 раза.

Для измерения условийвязкости приняты градусы Энглера (°Е),которые представляют собой показаниявискозиметра при 20, 50 и 100°С и обозначаютсясоответственно °E20;°E50 и °E100 .

Значение вязкости в градусахЭнглера, например, °E20 есть отношениевремени истечения tжчерез отверстие вязкозиметра с объемомV= 200 см3испытуемой жидкости к времени истечениятакого же количества дистиллированнойводы tвод = tвод= 51,6 спри 20 °С.

1 °E20 =tж/tвод.

Для пересчета градусов Энглера в стоксыв случае минеральных масел применяютформулу

υ =0,07З*(°Е) — 0,063/(°Е) (2.3а)

4. Сжимаемость —свойство жидкости изменять объем поддействием давления, характеризуетсякоэффициентом объемного сжатия,который представляет собой относительноеизменение объема ΔV=V1—V2при изменении давления ΔРнаединицу давления,V1 –первоначальный объем,V2– конечный объем .

(2.4)

Коэффициент объемного сжатия в системеСИ измеряется в м2/Н или Па-1.

Увеличению давления Р2>Р1соответствует уменьшение объемаV2