Viskositet

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 18 juni 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Viskositet ( inre friktion ) är ett av överföringsfenomenen, egenskapen hos flytande kroppar ( vätskor och gaser ) att motstå förflyttning av en av deras delar i förhållande till en annan. Som ett resultat försvinner det makroskopiska arbete som lagts ner på denna rörelse i form av värme. Fasta ämnen (glas, metaller, halvledare, dielektrika, ferromagneter) [1] kan också ha viskositet, men inre friktion i fasta ämnen, på grund av fenomenets särdrag, brukar betraktas separat i teorin om elasticitet och plasticitet .

Mekanismen för intern friktion i vätskor och gaser är att rörliga molekyler överför momentum från ett lager till ett annat, vilket leder till inriktning av hastigheter - detta beskrivs genom införandet av en friktionskraft. Viskositeten hos fasta ämnen har ett antal specifika egenskaper och betraktas vanligtvis separat.

Det finns dynamisk viskositet (enhet i International System of Units (SI) - pascal - sekund , Pa s, i CGS- systemet - poise , P; 1 Pa s \u003d 10 P, 1 cP \u003d 10 −3 Pa s \ u003d 1 MPa s) och kinematisk viskositet (enhet i SI - m 2 / s , i CGS - stokes , St; 1 St = cm 2 / s = 10 −4 m 2 / s, 1 cSt = 1 mm 2 / s = 10 −6 m 2 /s; icke-systemisk enhet - grad Engler ). Kinematisk viskositet kan erhållas som förhållandet mellan dynamisk viskositet och densiteten av ett ämne och har sitt ursprung till de klassiska metoderna för att mäta viskositet, såsom att mäta tiden det tar en given volym att strömma genom en kalibrerad öppning under påverkan av gravitationen . En anordning för att mäta viskositet kallas en viskosimeter .

Övergången av ett ämne från ett flytande till ett glasartat tillstånd är vanligtvis förknippat med uppnåendet av en viskositet av storleksordningen 10 11 -10 12 Pa·s.

Kraften av viskös friktion

Om parallella platta kroppar med area S vardera, belägna på ett litet avstånd h , rör sig i samma plan med en hastighet i förhållande till varandra, och utrymmet mellan kropparna är fyllt med vätska eller gas, så påverkas var och en av dem av en kraft, i det enklaste fallet, proportionell mot den relativa hastigheten och arean S och omvänt proportionell mot avståndet mellan kropparna h : $\vec{v}$ $\vec{v}$

{\vec {F}}\sim -{\frac ({\vec {v}}\cdot S}{h)).

Proportionalitetsfaktorn, beroende på vätskans eller gasens natur, kallas dynamisk viskositetskoefficient . Denna lag föreslogs av Isaac Newton 1687 och bär hans namn ( Newtons lag om viskositet ). Experimentell bekräftelse av lagen erhölls i början av 1800-talet i Coulombs experiment med torsionsvikter och i Hagen och Poiseuilles experiment med vattenflödet i kapillärer [2] .

Denna kraft kallas den viskösa friktionskraften. Dess kvalitativa skillnad från bland annat torrfriktion är att den är proportionell mot hastigheten . Därför, i närvaro av endast viskös friktion och en godtyckligt liten yttre kraft, kommer kroppen nödvändigtvis att sätta i rörelse, det vill säga för viskös friktion finns det ingen statisk friktion .

Andra viskositeten

Den andra viskositeten, eller bulkviskositeten, är intern friktion under momentumöverföring i rörelseriktningen. Det påverkar endast när man tar hänsyn till kompressibilitet och (eller) när man tar hänsyn till heterogeniteten hos koefficienten för den andra viskositeten i rymden.

Om den dynamiska (och kinematiska) viskositeten karakteriserar den rena skjuvdeformationen, så karakteriserar den andra viskositeten den volymetriska kompressionsdeformationen.

Bulkviskositeten spelar en stor roll i dämpningen av ljud- och stötvågor och bestäms experimentellt genom att mäta denna dämpning.

Viskositet av gaser

I den kinetiska teorin om gaser beräknas den inre friktionskoefficienten med formeln

\eta ={\frac {1}{3}}\langle u\rangle \langle \lambda \rangle \rho ,

där är medelhastigheten för den termiska rörelsen för molekyler, är den genomsnittliga fria vägen. Av detta uttryck, i synnerhet, följer att viskositeten för inte särskilt försämrade gaser är praktiskt taget oberoende av trycket, eftersom densiteten är direkt proportionell mot trycket och väglängden är omvänt proportionell. Samma slutsats följer för andra kinetiska koefficienter för gaser, till exempel för värmeledningskoefficienten . Denna slutsats är dock endast giltig tills gasens sällsynthet blir så liten att förhållandet mellan den fria vägen och kärlets linjära dimensioner ( Knudsennummer ) inte blir lika i storleksordningen ett; i synnerhet sker detta i Dewar-kärl (termoser). $\langle u\rangle$ $\langle \lambda \rangle$ $\rho$ $\langle \lambda \rangle$

Med ökande temperatur ökar viskositeten för de flesta gaser, detta beror på en ökning av medelhastigheten för gasmolekyler , som växer med temperaturen som . $u$ ${\sqrt {T}}$

Temperaturens inverkan på gasernas viskositet

Till skillnad från vätskor ökar gasernas viskositet med ökande temperatur (för vätskor minskar den med ökande temperatur).

Sutherlands formel kan användas för att bestämma viskositeten för en idealgas som funktion av temperaturen: [3]

\mu =\mu _{0}{\frac {T_{0}+C}{T+C}}\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)^{ 3/2},

var

μ är den dynamiska viskositeten (i Pa s) vid en given temperatur T ; μ 0 - kontrollviskositet (i Pa s) vid viss kontrolltemperatur T 0 ; T är den inställda temperaturen i kelvin ; T 0 - kontrolltemperatur i kelvin; C är Sutherlands konstant för gasen vars viskositet ska bestämmas.

Denna formel kan tillämpas för temperaturer i intervallet 0 < T < 555 K och vid tryck mindre än 3,45 MPa med ett fel på mindre än 10 % på grund av beroendet av viskositeten på trycket.

Sutherlands konstanta och referensviskositet för gaser vid olika temperaturer visas i tabellen nedan:

Gas	C , K	T 0 , K	μ 0 , μPa s
Luft	120	291,15	18.27
Kväve	111	300,55	17,81
Syre	127	292,25	20.18
Koldioxid	240	293,15	14.8
Kolmonoxid	118	288,15	17.2
Väte	72	293,85	8,76
Ammoniak	370	293,15	9,82
Svavel(IV)oxid	416	293,65	12.54
Helium	79,4 [4]	273	19 [5]

Viskositet av vätskor

Dynamisk viskositet

Intern friktion av vätskor , som gaser, uppstår när en vätska rör sig på grund av överföring av momentum i en riktning vinkelrät mot rörelseriktningen. För de så kallade newtonska vätskorna (som är majoriteten runt omkring oss) är den allmänna lagen om inre friktion giltig - Newtons lag :

\tau =-\eta {\frac {\partial v}{\partial n)).

Viskositetskoefficienten (dynamisk viskositetskoefficient, dynamisk viskositet) kan härledas från överväganden av molekylära rörelser. Uppenbarligen kommer det att vara ju mindre, desto kortare tid t för "sättning" av molekyler. Dessa överväganden leder till ett uttryck för viskositetskoefficienten som kallas Frenkel-Andrade-ekvationen : $\eta$ $\eta$

\eta =Ce^{w/kT}.

En annan formel som representerar viskositetskoefficienten föreslogs av Bachinsky [6] . Som visas bestäms viskositetskoefficienten av intermolekylära krafter beroende på medelavståndet mellan molekylerna; den senare bestäms av ämnets molvolym . Ett flertal experiment har visat att det finns ett samband mellan molvolymen och viskositetskoefficienten $V_{M}$

\eta ={\frac {c}{V_{M}-V_{C}}},

var:

c

är en konstant egenskap hos en viss vätska;

V_{C}

är volymen som upptas av vätskepartiklarna.

Den dynamiska viskositeten hos vätskor minskar med ökande temperatur och ökar med ökande tryck.

Kinematisk viskositet

I synnerhet inom teknik, vid beräkning av hydrauliska drivningar och inom tribologisk teknik, måste man ofta ta itu med kvantiteten

\nu ={\frac {\eta }{\rho )),

och detta värde kallas kinematisk viskositet [7] .

Här är vätskans densitet ; är koefficienten för dynamisk viskositet. $\rho$ $\eta$

Kinematisk viskositet i äldre källor anges ofta i centistokes (cSt). I SI översätts detta värde enligt följande: 1 cSt \u003d 1 mm 2 / s \u003d 10 −6 m 2 / s.

Nominell viskositet

Relativ viskositet - ett värde som indirekt karakteriserar det hydrauliska motståndet mot flöde, mätt med tiden för utgången av en given volym lösning genom ett vertikalt rör (med en viss diameter). Mätt i grader Engler (uppkallad efter den tyske kemisten K. O. Engler), betecknad - ° VU. Den bestäms av förhållandet mellan utflödestiden för 200 ml av testvätskan vid en given temperatur från en speciell viskosimeter och utflödestiden för 200 ml destillerat vatten från samma anordning vid 20 °C. Villkorlig viskositet upp till 16 °VU omvandlas till kinematisk enligt GOST-tabellen, och villkorad viskositet överstigande 16 °VU, enligt formeln

\nu =7,4\cdot 10^{-6}E_{t},

där - kinematisk viskositet (i m 2 / s) och - villkorad viskositet (i ° VU) vid temperatur t . $\nu$ ${\displaystyle E_{t))$

Newtonska och icke-newtonska vätskor

Newtonska vätskor är vätskor för vilka viskositeten inte beror på töjningshastigheten. I Navier-Stokes ekvation för en Newtonsk vätska finns det en viskositetslag som liknar ovanstående (i själva verket en generalisering av Newtons lag, eller Navier-Stokes lag [8] ):

\sigma _{ij}=\eta \left({\frac {\partial v_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial v_{j}}{\partial x_{i}}}\höger),

var är den viskösa spänningstensorn . $\sigma _{i,j}$

Bland icke-newtonska vätskor , beroende på viskositetens beroende av töjningshastigheten, särskiljs pseudoplaster och dilatantvätskor . En modell med icke-noll skjuvspänning (verkan av viskositet liknar torrfriktion ) är Bingham-modellen . Om viskositeten förändras över tiden sägs vätskan vara tixotrop. För icke-Newtonska vätskor är viskositetsmätningstekniken av största vikt.

När temperaturen stiger, minskar viskositeten hos många vätskor. Detta beror på att den kinetiska energin för varje molekyl ökar snabbare än den potentiella energin för interaktion mellan dem. Därför försöker alla smörjmedel alltid svalna, annars hotar det med en enkel läcka genom noderna.

Viskositet för amorfa material

Viskositeten hos amorfa material (till exempel glas eller smältor) är en termiskt aktiverad process [9] :

\eta (T)=A\exp \left({\frac {Q}{RT}}\right),

var

F

är aktiveringsenergin för viskositeten (J/mol);

T

— temperatur ( K );

R

— universell gaskonstant (8,31 J/mol K);

A

är någon konstant.

Visköst flöde i amorfa material kännetecknas av en avvikelse från Arrhenius lag : viskositetens aktiveringsenergi ändras från ett stort värde vid låga temperaturer (i ett glasartat tillstånd) till ett litet värde vid höga temperaturer (i ett flytande tillstånd). Beroende på denna förändring klassificeras amorfa material som antingen starka när , eller spröda när . Sprödheten hos amorfa material kännetecknas numeriskt av Dorimus sprödhetsparametern : starka material har , medan spröda material har . $F$ $Q_{H}$ $Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})\geqslant Q_{L}$ $R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}$ $R_{D}<2$ $R_{D}\geqslant 2$

Viskositeten hos amorfa material är ganska exakt approximerad av tvåexponentiella ekvationen [10]

\eta (T)=A_{1}T\left(1+A_{2}\exp {\frac {B}{RT}}\right)\left(1+C\exp {\frac { D}{RT}}\höger)

med konstanter , , , och , associerade med de termodynamiska parametrarna för de förbindande bindningarna av amorfa material. $A_{1}$ $A_{2}$ $B$ $C$ $D$

I smala temperaturintervall nära glasövergångstemperaturen approximeras denna ekvation med formler av VTF- typ eller komprimerade Kohlrausch-exponenter . $T_{g}$

Om temperaturen är betydligt lägre än glasövergångstemperaturen, reduceras den tvåexponentiella viskositetsekvationen till en ekvation av Arrhenius-typ ${\displaystyle T<T_{g))$

\eta (T)=A_{L}T\exp \left({\frac {Q_{H}}{RT}}\right)

med hög aktiveringsenergi , där är entalpin för att bryta de anslutande bindningarna, det vill säga skapandet av konfigurationer , och är entalpin för deras rörelse. Detta beror på det faktum att amorfa material vid , är i ett glasartat tillstånd och har de allra flesta anslutningsbindningar intakta. $Q_{H}=H_{d}+H_{m}$ $H_{d}$ $H_{m}$ ${\displaystyle T<T_{g))$

Vid reducerar den tvåexponentiella viskositetsekvationen också till en ekvation av Arrhenius-typ ${\displaystyle T\gg T_{g))$

\eta (T)=A_{H}T\exp \left({\frac {Q_{L}}{RT}}\right),

men med låg aktiveringsenergi . Detta beror på det faktum att när amorfa material är i ett uträtat tillstånd och den stora majoriteten av de förbindande bindningarna förstörs, vilket underlättar materialets flytbarhet. $Q_{L}=H_{m}$ ${\displaystyle T\gg T_{g))$

Relativ viskositet

I tekniska vetenskaper används ofta begreppet relativ viskositet , vilket förstås som förhållandet mellan den dynamiska viskositetskoefficienten (se ovan) för lösningen och den dynamiska viskositetskoefficienten för ett rent lösningsmedel:

\mu _{r}={\frac {\mu }{\mu _{0))},

var

μ är lösningens dynamiska viskositet; μ 0 är lösningsmedlets dynamiska viskositet.

Viskositet för vissa ämnen

För flygplan och skeppsbyggnad är det viktigast att känna till luftens och vattnets viskositet.

Luftens viskositet

Luftens viskositet beror främst på temperaturen. Vid 15,0 °C är luftens viskositet 1,78⋅10 −5 kg/(m s) = 17,8 µPa s = 1,78⋅10 −5 Pa s. Du kan hitta luftens viskositet som en funktion av temperaturen med hjälp av program för beräkning av gasernas viskositet [11] .

Vattens viskositet

Vattens dynamiska viskositet är 8,90 10 −4 Pa s vid en temperatur på cirka 25 °C. Som funktion av temperaturen: T = A × 10 B /( T − C ) , där A = 2,414 10 −5 Pa s, B = 247,8 K, C = 140 K.

Värdena för den dynamiska viskositeten för flytande vatten vid olika temperaturer upp till kokpunkten anges i tabellen:

Temperatur, °C	Viskositet, mPa s
tio	1,308
tjugo	1,002
trettio	0,7978
40	0,6531
femtio	0,5471
60	0,4668
70	0,4044
80	0,3550
90	0,3150
100	0,2822

Dynamisk viskositet för olika ämnen

Följande är värdena för den dynamiska viskositetskoefficienten för vissa newtonska vätskor :

Viskositet för vissa typer av gaser

Gas	vid 0°C (273 K), pPa s	vid 27°C (300 K), pPa s
luft	17.4	18.6
väte	8.4	9,0
helium		20.0
argon		22.9
xenon	21.2	23.2
koldioxid		15,0
metan		11.2
etan		9.5

Viskositet för vätskor vid 25 °C

Flytande	Viskositet, Pa s	Viskositet, mPa s
aceton	3,06 10 −4	0,306
bensen	6,04 10 −4	0,604
blod (vid 37 °C)	(3—4) 10 −3	3-4
ricinolja	0,985	985
glukossirap	1,3806	1380,6
etanol	1,074 10 −3	1,074
etylenglykol	1,61 10 −2	16.1
glycerin (vid 20 °C)	1,49	1490
eldningsolja	2,022	2022
kvicksilver	1,526 10 −3	1,526
metylalkohol	5,44 10 −4	0,544
SAE 10 motorolja (vid 20°C)	0,065	65
motorolja SAE 40 (vid 20 °C)	0,319	319
nitrobensen	1,863 10 −3	1,863
flytande kväve (vid 77K)	1,58 10 −4	0,158
propanol	1,945 10 −3	1,945
olivolja	0,081	81
tonhöjd	2,3 10 8	2,3 10 11
svavelsyra	2,42 10 −2	24.2
vatten	8,94 10 −4	0,894

Anteckningar

↑ Intern friktion i metaller, halvledare, dielektrika och ferromagneter: lör. artiklar / Ed. F. N. Tavadze . — M .: Nauka, 1978. — 235 sid. (ryska)
↑ Om några misstag i hydrodynamikkurser Arkiverad 22 december 2015 på Wayback Machine , sid. 3-4.
↑ Alexander J. Smits, Jean-Paul Dussauge Turbulenta skjuvlager i överljudsflöde Arkiverad 17 juli 2017 på Wayback Machine . - Birkhäuser, 2006. - S. 46. - ISBN 0-387-26140-0 .
↑ Datakonstanter för Sutherlands formel Arkiverad 6 mars 2018 på Wayback Machine .
↑ Viskositet för vätskor och gaser Arkiverad 3 oktober 2017 på Wayback Machine .
↑ Khmelnitsky R. A. Fysisk och kolloidal kemi: Lärobok för jordbruksspecial. universitet. - M . : Högre skola, 1988. - S. 40. - 400 sid. - ISBN 5-06-001257-3 .
↑ Popov D.N. Dynamik och reglering av hydro- och pneumatiska system: Proc. för ingenjörsuniversitet. - M . : Mashinostroenie, 176. - S. 175. - 424 sid.
↑ Sedov L.I. Continuum Mechanics Arkivexemplar daterad 28 november 2014 på Wayback Machine . T. 1. - M .: Nauka, 1970. - S. 166.
↑ Frenkel Ya. I. Kinetisk teori om vätskor. - Leningrad, Nauka, 1975. - sid. 226.
↑ Ojovan M. Visköst flöde och viskositeten hos smältor och glas. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143-150 (2012).
↑ Gasviskositetskalkylator Arkiverad 21 juli 2011 på Wayback Machine .

Se även

Litteratur

RH Doremus. J. Appl. Phys. 92, 7619-7629 (2002).
MI Ojovan, W.E. Lee. J. Appl. Phys. 95, 3803-3810 (2004).
MI Ojovan, KP Travis, RJ Hand. J. Phys.: Condensed Matter, 19, 415107 (2007).
L. I. SEDOV Kontinuummekanik. T. 1. - M .: Nauka, 1970. - 492 sid.
P. N. Gedyk, M. I. Kalashnikova. Smörjning av metallurgisk utrustning. - M .: Metallurgi, 1976. - 380 sid.
I. F. Golubev. Viskositet hos gaser och gasblandningar. — M.: Fizmatlit, 1959.
Ed. FN Tavadze Intern friktion i metaller, halvledare, dielektrika och ferromagneter. - M., Nauka, 1978. - 235 sid.

Länkar

Arinshtein A. Jämförande viskosimeter för Zhukovsky // Kvant , nr 9, 1983.
Mätning av petroleumprodukters viskositet
Bulkin P. S. Popova I. I. Allmänt fysiskt praktiskt arbete. Molekylär fysik
Grad av villkorlig viskositet // Stor encyklopedisk polyteknisk ordbok . – 2004.
Viskositet av vatten

Ordböcker och uppslagsverk

I bibliografiska kataloger
BNE : XX534455 BNF : 11976017g GND : 4063625-2 J9U : 987007541427705171 LCCN : sh85143858 NDL : 00568098 NKC : ph117913