Viskositeetti

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 18.6.2022 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Viskositeetti ( sisäinen kitka ) on yksi siirtoilmiöistä, nestekappaleiden ( nesteiden ja kaasujen ) ominaisuus vastustaa jonkin osansa liikettä suhteessa toiseen. Tämän seurauksena tähän liikkeeseen käytetty makroskooppinen työ haihtuu lämmön muodossa. Kiinteillä aineilla (lasi, metallit, puolijohteet, eristeet, ferromagneetit) [1] voi myös olla viskositeettia, mutta kiinteiden aineiden sisäistä kitkaa tarkastellaan ilmiön erityispiirteiden vuoksi yleensä erikseen elastisuus- ja plastisuusteoriassa .

Nesteiden ja kaasujen sisäisen kitkan mekanismi on se, että liikkuvat molekyylit siirtävät vauhtia kerroksesta toiseen, mikä johtaa nopeuksien kohdistamiseen - tätä kuvaa kitkavoiman käyttöönotto. Kiinteiden aineiden viskositeetilla on useita erityispiirteitä, ja niitä tarkastellaan yleensä erikseen.

On olemassa dynaamista viskositeettia (yksikkö kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) - pascal - sekunti , Pa s, CGS -järjestelmässä - poise , P; 1 Pa s \u003d 10 P, 1 cP \u003d 10 −3 Pa s \ u003d 1 MPa s) ja kinemaattinen viskositeetti (yksikkö SI - m 2 / s , CGS - stokes , St; 1 St = cm 2 / s = 10 −4 m 2 / s, 1 cSt = 1 mm 2 / s = 10 −6 m 2 /s; ei-systeeminen yksikkö- aste Engler ). Kinemaattinen viskositeetti voidaan saada dynaamisen viskositeetin ja aineen tiheyden suhteena, ja se johtuu klassisista viskositeetin mittausmenetelmistä, kuten sen ajan mittaamisesta, joka kuluu tietyn tilavuuden virtaamiseen kalibroidun aukon läpi painovoiman vaikutuksesta. . Viskositeetin mittauslaitetta kutsutaan viskosimetriksi .

Aineen siirtyminen nesteestä lasimaiseen tilaan liittyy yleensä luokkaa 10 11 -10 12 Pa·s olevan viskositeetin saavuttamiseen.

Viskoosin kitkan voima

Jos yhdensuuntaiset litteät kappaleet, joiden pinta-ala on S ja jotka sijaitsevat pienellä etäisyydellä h , liikkuvat samassa tasossa nopeudella toisiinsa nähden ja kappaleiden välinen tila on täytetty nesteellä tai kaasulla, niin jokaiseen niistä vaikuttaa voima, yksinkertaisimmassa tapauksessa suhteellinen nopeuteen ja pinta-alaan S ja kääntäen verrannollinen kappaleiden väliseen etäisyyteen h : $\vec{v}$ $\vec{v}$

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

Suhteellisuustekijää, joka riippuu nesteen tai kaasun luonteesta, kutsutaan dynaamiseksi viskositeettikertoimeksi . Tämän lain ehdotti Isaac Newton vuonna 1687, ja se kantaa hänen nimeään ( Newtonin viskositeetin laki ). Kokeellinen vahvistus laille saatiin 1800-luvun alussa Coulombin kokeissa vääntöpainoilla sekä Hagenin ja Poiseuillen kokeissa veden virtauksella kapillaareissa [2] .

Tätä voimaa kutsutaan viskoosiksi kitkavoimaksi. Sen laadullinen ero kuivakitkaan on muun muassa se, että se on verrannollinen nopeuteen. Siksi vain viskoosin kitkan ja mielivaltaisen pienen ulkoisen voiman läsnä ollessa keho lähtee väistämättä liikkeelle, eli viskoosissa kitkassa ei ole staattista kitkaa .

Toinen viskositeetti

Toinen viskositeetti eli bulkkiviskositeetti on sisäinen kitka liikemäärän siirron aikana liikkeen suunnassa. Se vaikuttaa vain, kun otetaan huomioon puristuvuus ja (tai) kun otetaan huomioon toisen viskositeetin kertoimen heterogeenisyys avaruudessa.

Jos dynaaminen (ja kinemaattinen) viskositeetti luonnehtii puhdasta leikkausmuodonmuutosta, niin toinen viskositeetti kuvaa tilavuuspuristusmuodonmuutosta.

Bulkkiviskositeetilla on suuri merkitys äänen ja iskuaaltojen vaimentamisessa, ja se määritetään kokeellisesti tätä vaimennusta mittaamalla.

Kaasujen viskositeetti

Kaasujen kineettisessä teoriassa sisäkitkakerroin lasketaan kaavalla

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

missä on molekyylien lämpöliikkeen keskimääräinen nopeus, on keskimääräinen vapaa polku. Etenkin tästä lausekkeesta seuraa, että ei kovin harvinaisten kaasujen viskositeetti on käytännössä riippumaton paineesta, koska tiheys on suoraan verrannollinen paineeseen ja polun pituus on kääntäen verrannollinen. Sama johtopäätös tehdään muiden kaasujen kineettisten kertoimien, esimerkiksi lämmönjohtavuuskertoimen, osalta . Tämä johtopäätös on kuitenkin pätevä vain siihen asti, kunnes kaasun harvinaisuus tulee niin pieneksi, että vapaan reitin suhde aluksen lineaarisiin mittoihin ( Knudsen-luku ) ei tule suuruusluokaltaan yhtä suureksi kuin yksi; tämä tapahtuu erityisesti Dewar-aluksissa (termosissa). $\langle u\rangle$ $\langle \lambda \rangle$ $\rho$ $\langle \lambda \rangle$

Lämpötilan noustessa useimpien kaasujen viskositeetti kasvaa, mikä johtuu kaasumolekyylien keskimääräisen nopeuden kasvusta, joka kasvaa lämpötilan mukana . $u$ ${\sqrt {T}}$

Lämpötilan vaikutus kaasujen viskositeettiin

Toisin kuin nesteiden, kaasujen viskositeetti kasvaa lämpötilan noustessa (nesteillä se pienenee lämpötilan noustessa).

Sutherlandin kaavalla voidaan määrittää ihanteellisen kaasun viskositeetti lämpötilan funktiona: [3]

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

missä

μ on dynaaminen viskositeetti (Pa s) tietyssä lämpötilassa T ; μ 0 - kontrolliviskositeetti (Pa s) jossain ohjauslämpötilassa T 0 ; T on asetettu lämpötila kelvineinä ; T 0 - ohjauslämpötila kelvineinä; C on Sutherlandin vakio kaasulle, jonka viskositeetti on määritettävä.

Tätä kaavaa voidaan soveltaa lämpötiloihin alueella 0 < T < 555 K ja paineissa alle 3,45 MPa alle 10 %:n virheellä johtuen viskositeetin paineesta riippuvuudesta.

Kaasujen Sutherland-vakio- ja vertailuviskositeetti eri lämpötiloissa on esitetty alla olevassa taulukossa:

Kaasu	C , K	T 0 , K	μ 0 , μPa s
ilmaa	120	291,15	18.27
Typpi	111	300,55	17.81
Happi	127	292,25	20.18
Hiilidioksidi	240	293,15	14.8
Hiilimonoksidi	118	288,15	17.2
Vety	72	293,85	8.76
Ammoniakki	370	293,15	9.82
Rikki(IV)oksidi	416	293,65	12.54
Helium	79,4 [4]	273	19 [5]

Nesteiden viskositeetti

Dynaaminen viskositeetti

Nesteiden , kuten kaasujen, sisäinen kitka tapahtuu, kun neste liikkuu liikemäärän siirron johdosta kohtisuoraan liikesuuntaan nähden. Ns. Newtonin nesteille (jotka ovat suurin osa ympärillämme) pätee yleinen sisäisen kitkan laki - Newtonin laki :

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

Viskositeettikerroin (dynaaminen viskositeettikerroin, dynaaminen viskositeetti) voidaan johtaa molekyyliliikkeiden huomioista. Ilmeisesti se on mitä vähemmän, sitä lyhyempi aika t molekyylien "asettautumiselle". Nämä näkökohdat johtavat viskositeettikertoimen lausekkeeseen, jota kutsutaan Frenkel-Andraden yhtälöksi : $\eta$ $\eta$

\eta =Ce^{w/kT}.

Toisen viskositeettikerrointa kuvaavan kaavan ehdotti Bachinsky [6] . Kuten on esitetty, viskositeettikerroin määritetään molekyylien välisillä voimilla riippuen molekyylien keskimääräisestä etäisyydestä; jälkimmäinen määräytyy aineen moolitilavuuden mukaan . Lukuisat kokeet ovat osoittaneet, että moolitilavuuden ja viskositeettikertoimen välillä on suhde $V_{M}$

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

missä:

c

on tietyn nesteen vakioominaisuus;

V_{C}

on nestemäisten hiukkasten käyttämä tilavuus.

Nesteiden dynaaminen viskositeetti pienenee lämpötilan noustessa ja kasvaa paineen noustessa.

Kinemaattinen viskositeetti

Varsinkin tekniikassa hydraulikäyttöjä laskettaessa ja tribologisessa suunnittelussa joudutaan usein käsittelemään määrää

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

ja tätä arvoa kutsutaan kinemaattiseksi viskositeetiksi [7] .

Tässä on nesteen tiheys ; on dynaamisen viskositeetin kerroin. $\rho$ $\eta$

Vanhemmissa lähteissä kinemaattinen viskositeetti ilmoitetaan usein sentistokeina (cSt). SI :ssä tämä arvo käännetään seuraavasti: 1 cSt \u003d 1 mm 2 / s \u003d 10 −6 m 2 / s.

Nimellisviskositeetti

Suhteellinen viskositeetti - arvo, joka epäsuorasti luonnehtii hydraulista virtausvastusta, mitattuna ajan kuluessa, jolloin tietty määrä liuosta on umpeutunut pystyputken (tietyn halkaisijan) läpi. Mitattu asteina Engler (nimetty saksalaisen kemistin K. O. Englerin mukaan), merkitty - ° VU. Se määritetään suhteessa 200 ml:n testinestettä tietyssä lämpötilassa erityisestä viskosimetristä ulosvirtausaikaan 200 ml:n tislattua vettä samasta laitteesta 20 °C:ssa. Ehdollinen viskositeetti 16 °VU asti muunnetaan kinemaattiseksi GOST-taulukon mukaan ja ehdollinen viskositeetti, joka ylittää 16 °VU, kaavan mukaan

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

jossa - kinemaattinen viskositeetti (m 2 / s) ja - ehdollinen viskositeetti (° VU) lämpötilassa t . $\nu$ ${\näyttötyyli E_{t))$

Newtonilaiset ja ei-newtonilaiset nesteet

Newtonin nesteet ovat nesteitä, joiden viskositeetti ei riipu venymänopeudesta. Newtonin nesteen Navier-Stokes-yhtälössä on samanlainen viskositeettilaki kuin edellä (itse asiassa Newtonin lain yleistys tai Navier-Stokesin laki [8] ):

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

missä on viskoosinen jännitystensori . $\sigma _{i,j}$

Ei-newtonilaisista nesteistä erotetaan viskositeetin riippuvuuden mukaan venymänopeudesta pseudoplastiset ja laajentavat nesteet . Malli, jossa leikkausjännitys ei ole nolla (viskositeettivaikutus on samanlainen kuin kuivakitka ), on Bingham-malli . Jos viskositeetti muuttuu ajan myötä, nesteen sanotaan olevan tiksotrooppinen. Ei-newtonilaisten nesteiden viskositeetin mittaustekniikka on ensiarvoisen tärkeää.

Lämpötilan noustessa monien nesteiden viskositeetti laskee. Tämä johtuu siitä, että kunkin molekyylin kineettinen energia kasvaa nopeammin kuin niiden välisen vuorovaikutuksen potentiaalinen energia. Siksi kaikki voiteluaineet yrittävät aina jäähtyä, muuten se uhkaa yksinkertaisella vuodolla solmujen läpi.

Amorfisten materiaalien viskositeetti

Amorfisten materiaalien (esimerkiksi lasin tai sulatteiden) viskositeetti on termisesti aktivoitu prosessi [9] :

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

missä

K

on viskositeetin aktivointienergia (J/mol);

T

- lämpötila ( K );

R

— yleiskaasuvakio (8,31 J/mol K);

A

on jonkin verran vakio.

Viskoosiselle virtaukselle amorfisissa materiaaleissa on tunnusomaista poikkeama Arrhenius-laista : viskositeetin aktivointienergia muuttuu suuresta arvosta matalissa lämpötiloissa (lasimaisessa tilassa) pieneen arvoon korkeissa lämpötiloissa (nestetilassa). Tästä muutoksesta riippuen amorfiset materiaalit luokitellaan joko vahvoiksi kun , tai hauraiksi kun . Amorfisten materiaalien haurautta kuvaa numeerisesti Dorimusin haurausparametri : vahvoilla materiaaleilla on , kun taas haurailla materiaaleilla on . $K$ $Q_{H}$ $Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})\geqslant Q_{L}$ $R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}$ $R_{D}<2$ $R_{D}\geqslant 2$

Amorfisten materiaalien viskositeetti on melko tarkasti approksimoitu kaksieksponentiaalisella yhtälöllä [10]

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

vakioilla , , ja , jotka liittyvät amorfisten materiaalien yhdistävien sidosten termodynaamisiin parametreihin. $A_{1}$ $A_{2}$ $B$ $C$ $D$

Kapeilla lämpötilaväleillä, jotka ovat lähellä lasittumislämpötilaa, tämä yhtälö approksimoidaan VTF -tyyppisillä kaavoilla tai pakatuilla Kohlrauschin eksponenteilla . $T_{g}$

Jos lämpötila on merkittävästi alhaisempi kuin lasittumislämpötila, kaksieksponentiaalinen viskositeettiyhtälö pienenee Arrhenius-tyyppiseksi yhtälöksi ${\näyttötyyli T<T_{g))$

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

korkealla aktivointienergialla , missä on yhdistävien sidosten katkeamisen entalpia , eli konfiguraatioiden luominen , ja on niiden liikkeen entalpia. Tämä johtuu siitä tosiasiasta, että amorfiset materiaalit ovat lasimaisessa tilassa ja niissä on suurin osa liitossidoksista ehjiä. $Q_{H}=H_{d}+H_{m}$ $H_{d}$ $H_{m}$ ${\näyttötyyli T<T_{g))$

Kun , kahden eksponentiaalisen viskositeetin yhtälö pelkistyy myös Arrhenius-tyyppiseksi yhtälöksi ${\displaystyle T\gg T_{g))$

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

mutta alhaisella aktivointienergialla . Tämä johtuu siitä, että amorfisten materiaalien ollessa suoristettuna ja suurin osa liitossidoksista tuhoutuu, mikä helpottaa materiaalin juoksevuutta. $Q_{L}=H_{m}$ ${\displaystyle T\gg T_{g))$

Suhteellinen viskositeetti

Teknisissä tieteissä käytetään usein suhteellisen viskositeetin käsitettä , joka ymmärretään liuoksen dynaamisen viskositeettikertoimen (katso edellä) suhde puhtaan liuottimen dynaamiseen viskositeettikerrokseen:

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

missä

μ on liuoksen dynaaminen viskositeetti; μ 0 on liuottimen dynaaminen viskositeetti.

Joidenkin aineiden viskositeetti

Lento- ja laivanrakennuksessa on tärkeintä tietää ilman ja veden viskositeetit.

Ilman viskositeetti

Ilman viskositeetti riippuu pääasiassa lämpötilasta. 15,0 °C:ssa ilman viskositeetti on 1,78⋅10 -5 kg/(m s) = 17,8 µPa s = 1,78⋅10 -5 Pa s. Ilman viskositeetin voit selvittää lämpötilan funktiona kaasujen viskositeetin laskentaohjelmilla [11] .

Veden viskositeetti

Veden dynaaminen viskositeetti on 8,90 10 −4 Pa s noin 25 °C:n lämpötilassa. Lämpötilan funktiona: T = A × 10 B /( T − C ) , missä A = 2,414 10 −5 Pa s, B = 247,8 K, C = 140 K.

Nestemäisen veden dynaamisen viskositeetin arvot eri lämpötiloissa kiehumispisteeseen asti on annettu taulukossa:

Lämpötila, °C	Viskositeetti, mPa s
kymmenen	1.308
kaksikymmentä	1.002
kolmekymmentä	0,7978
40	0,6531
viisikymmentä	0,5471
60	0,4668
70	0,4044
80	0,3550
90	0,3150
100	0,2822

Eri aineiden dynaaminen viskositeetti

Seuraavat ovat joidenkin Newtonin nesteiden dynaamisen viskositeettikertoimen arvot :

Tiettyjen kaasutyyppien viskositeetti

Kaasu	0 °C:ssa (273 K), uPa s	27 °C:ssa (300 K), uPa s
ilmaa	17.4	18.6
vety	8.4	9.0
heliumia		20.0
argon		22.9
xenon	21.2	23.2
hiilidioksidi		15.0
metaani		11.2
etaani		9.5

Nesteiden viskositeetti 25 °C:ssa

Nestemäinen	Viskositeetti, Pa s	Viskositeetti, mPa s
asetoni	3,06 10 −4	0,306
bentseeni	6.04 10 −4	0,604
veri (37 °C)	(3-4) 10 -3	3-4
Risiiniöljy	0,985	985
maissi siirappi	1,3806	1380,6
etanoli	1,074 10 -3	1,074
etyleeniglykoli	1,61 10 −2	16.1
glyseriini (20 °C)	1.49	1490
polttoöljy	2.022	2022
elohopeaa	1,526 10 -3	1.526
metyylialkoholi	5,44 10 −4	0,544
SAE 10 -moottoriöljy (20 °C:ssa)	0,065	65
moottoriöljy SAE 40 (20 °C:ssa)	0,319	319
nitrobentseeni	1,863 10 -3	1,863
nestemäinen typpi (77K)	1,58 10 −4	0,158
propanoli	1,945 10 -3	1,945
oliiviöljy	0,081	81
piki	2,3 10 8	2,3 10 11
rikkihappo	2,42 10 −2	24.2
vettä	8,94 10 −4	0,894

Muistiinpanot

↑ Metallien, puolijohteiden, eristeiden ja ferromagneettien sisäinen kitka: la. artikkelit / Toim. F. N. Tavadze . - M .: Nauka, 1978. - 235 s. (Venäjän kieli)
↑ Joistakin virheistä hydrodynamiikan kursseilla Arkistoitu 22. joulukuuta 2015 Wayback Machinessa , s. 3-4.
↑ Alexander J. Smits, Jean-Paul Dussauge Turbulent shear layers in supersonic flow Arkistoitu 17. heinäkuuta 2017 Wayback Machinessa . - Birkhäuser, 2006. - S. 46. - ISBN 0-387-26140-0 .
↑ Sutherlandin kaavan datavakiot Arkistoitu 6. maaliskuuta 2018 Wayback Machinessa .
↑ Nesteiden ja kaasujen viskositeetti Arkistoitu 3. lokakuuta 2017 Wayback Machinessa .
↑ Khmelnitsky R. A. Fysikaalinen ja kolloidinen kemia: Maatalouden erikoisoppikirja. yliopistot. - M . : Higher School, 1988. - S. 40. - 400 s. - ISBN 5-06-001257-3 .
↑ Popov D.N. Hydro- ja pneumaattisten järjestelmien dynamiikka ja säätö: Proc. tekniikan korkeakouluille. - M . : Mashinostroenie, 176. - S. 175. - 424 s.
↑ Sedov L.I. Continuum Mechanics Arkistokopio , päivätty 28. marraskuuta 2014 Wayback Machinessa . T. 1. - M .: Nauka, 1970. - S. 166.
↑ Frenkel Ya. I. Nesteiden kineettinen teoria. - Leningrad, Nauka, 1975. - s. 226.
↑ Ojovan M. Viskoosi virtaus ja sulatteiden ja lasien viskositeetti. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143-150 (2012).
↑ Gas Viscosity Calculator Arkistoitu 21. heinäkuuta 2011 Wayback Machinessa .

Katso myös

Kirjallisuus

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, 415 107 (2007).
L. I. SEDOV Jatkuva mekaniikka. T. 1. - M .: Nauka, 1970. - 492 s.
P. N. Gedyk, M. I. Kalashnikova. Metallurgisten laitteiden voitelu. - M .: Metallurgia, 1976. - 380 s.
I. F. Golubev. Kaasujen ja kaasuseosten viskositeetti. - M.: Fizmatlit, 1959.
Ed. FN Tavadze Metallien, puolijohteiden, eristeiden ja ferromagneettien sisäinen kitka. - M., Nauka, 1978. - 235 s.

Linkit

Arinshtein A. Žukovskin vertaileva viskosimetri // Kvant , nro 9, 1983.
Öljytuotteiden viskositeetin mittaus
Bulkin P. S. Popova I. I. Yleinen fyysinen käytännön työ. Molekyylifysiikka
Ehdollisen viskositeetin aste // Suuri ensyklopedinen polytekninen sanakirja . – 2004.
Veden viskositeetti

Sanakirjat ja tietosanakirjat

Bibliografisissa luetteloissa
BNE : XX534455 BNF : 11976017g GND : 4063625-2 J9U : 987007541427705171 LCCN : sh85143858 NDL : 00568098 NKC : ph117913