Изборът на моторно масло е сериозна задача за всеки автомобилен ентусиаст. И основният параметър, по който трябва да се направи избор, е вискозитетът на маслото. Вискозитетът на маслото характеризира степента на плътност на моторната течност и нейната способност да поддържа свойствата си при температурни промени.
Нека се опитаме да разберем в какви единици трябва да се измерва вискозитетът, какви функции изпълнява и защо играе огромна роля в работата на цялата двигателна система.
Работата на двигател с вътрешно горене включва непрекъснато взаимодействие на неговите структурни елементи. Нека си представим за секунда, че двигателят работи на сухо. Какво ще стане с него? Първо, силата на триене ще увеличи температурата вътре в устройството. Второ, ще настъпи деформация и износване на частите. И накрая, всичко това ще доведе до пълно спиране на двигателя с вътрешно горене и невъзможността за по-нататъшното му използване. Правилно избраното моторно масло изпълнява следните функции:
- предпазва двигателя от прегряване,
- предотвратява бързото износване на механизмите,
- предотвратява образуването на корозия,
- премахва сажди, сажди и продукти от изгаряне на гориво извън системата на двигателя,
- спомага за увеличаване на ресурса на силовия агрегат.
По този начин нормалното функциониране на моторния отдел без смазочна течност е невъзможно.
важно! Налейте в двигателя превозно средствоНуждаете се само от масло, чийто вискозитет отговаря на изискванията на производителите на автомобили. В този случай ефективността ще бъде максимална, а износването на работните единици ще бъде минимално. Не трябва да се доверявате на мненията на продавач-консултанти, приятели и специалисти по автосервиз, ако те се различават от инструкциите за автомобила. В крайна сметка само производителят може да знае със сигурност с какво да напълни двигателя.
Индекс на вискозитета на маслото
Концепцията за вискозитет на маслото предполага способността на течността да бъде вискозна. Определя се с помощта на индекса на вискозитет. Индексът на вискозитет на маслото е стойност, която показва степента на вискозитет на маслената течност по време на температурни промени. Лубрикантите с висока степен на вискозитет имат следните свойства:
- Когато двигателят е стартиран на студено, защитното фолио има силна течливост, което осигурява бързо и равномерно разпределениесмазки по цялата работна повърхност;
- нагряването на двигателя води до увеличаване на вискозитета на филма. Това свойство позволява защитното фолио да се задържи върху повърхностите на движещите се части.
Тези. маслата с висок индекс на вискозитет лесно се адаптират към температурни претоварвания, докато нисък индекс на вискозитет на моторното масло показва по-малка способност. Такива вещества имат по-течно състояние и образуват тънък защитен филм върху частите. В условия на отрицателни температури моторната течност с нисък индекс на вискозитет ще затрудни стартирането на силовия агрегат, а при високи температури няма да може да предотврати високи сили на триене.
Индексът на вискозитет се изчислява съгласно GOST 25371-82. Можете да го изчислите с помощта на онлайн услуги в Интернет.
Кинематичен и динамичен вискозитет
Степента на пластичност на моторния материал се определя от два показателя - кинематичен и динамичен вискозитет.
Моторно масло
Кинематичният вискозитет на маслото е показател, който отразява неговата течливост при нормални (+40 градуса по Целзий) и високи (+100 градуса по Целзий) температури. Методът за измерване на тази стойност се основава на използването на капилярен вискозиметър. Устройството измерва времето, необходимо на маслената течност да изтече при дадени температури. Кинематичният вискозитет се измерва в mm 2 /s.
Динамичният вискозитет на маслото също се изчислява емпирично. Той показва съпротивителната сила на масления флуид, която възниква при движението на два слоя масло, разположени на разстояние 1 сантиметър един от друг и движещи се със скорост 1 cm/s. Мерните единици за тази величина са паскал секунди.
Определянето на вискозитета на маслото трябва да се извършва при различни температурни условия, т.к течността не е стабилна и променя свойствата си при ниски и високи температури.
По-долу е представена таблица на вискозитета на моторното масло по температура.
Обяснение на обозначението на двигателното масло
Както беше отбелязано по-рано, вискозитетът е основният параметър на защитната течност, характеризиращ нейната способност да гарантира ефективността на превозното средство в различни климатични условия.
Според международната система за класификация SAE моторните смазочни материали могат да бъдат три вида: зимни, летни и всесезонни.
Маслото, предназначено за зимна употреба, се маркира с цифра и буквата W, например 5W, 10W, 15W. Първият символ за маркиране показва обхвата на отрицателните работни температури. Буква W – от английска дума„Зима“ - зима - информира купувача за възможността за използване на смазката при тежки условия на ниска температура. Той има по-голяма течливост от своя летен аналог, за да осигури лесно стартиране при ниски температури. Течният филм незабавно обгръща студените елементи и улеснява тяхното превъртане.
Границата на отрицателните температури, при които маслото остава работоспособно е следната: за 0W - (-40) градуса по Целзий, за 5W - (-35) градуса, за 10W - (-25) градуса, за 15W - (-35) степени.
Лятната течност има висок вискозитет, което позволява на филма да се „залепи“ по-здраво към работните елементи. При твърде високи температури това масло се разпределя равномерно върху работната повърхност на частите и ги предпазва от силно износване. Това масло се обозначава с числа, например 20,30,40 и т.н. Тази цифра характеризира границата на висока температура, при която течността запазва свойствата си.
важно! Какво означават числата? Числата на летния параметър по никакъв начин не означават максимална температура, при които автомобилът може да работи. Те са условни и нямат нищо общо със степенната скала.
Маслото с вискозитет 30 функционира нормално при температури заобикаляща средадо +30 градуса по Целзий, 40 – до +45 градуса, 50 – до +50 градуса.
Лесно е да разпознаете универсалното масло: неговата маркировка включва две цифри и буквата W между тях, например 5w30. Използването му предполага всякакви климатични условия, било то сурова зима или горещо лято. И в двата случая маслото ще се адаптира към промените и ще поддържа функционалността на цялата система на двигателя.
Между другото, климатичният диапазон на универсалното масло се определя просто. Например за 5W30 тя варира от минус 35 до +30 градуса по Целзий.
Всесезонните масла са удобни за използване, така че се намират на рафтовете на автокъщите по-често от летните и зимните опции.
За да ви даде по-добра представа какъв вискозитет на моторното масло е подходящ за вашия район, по-долу е дадена таблица, показваща работния температурен диапазон за всеки тип смазка.
Средни диапазони на производителност на маслото
След като разбрахме какво означават числата във вискозитета на маслото, нека да преминем към следващия стандарт. Класификацията на моторното масло по вискозитет също засяга стандарта API. В зависимост от типа на двигателя обозначението на API започва с буквата S или C. S означава бензинови двигатели, C означава дизелови двигатели. Втората буква от класификацията показва класа на качество на моторното масло. И колкото по-далеч е тази буква от началото на азбуката, толкова по-добро качествозащитна течност.
За системите с бензинови двигатели съществуват следните обозначения:
- SC – година на производство преди 1964г
- SD – година на производство от 1964 до 1968 г.
- SE – година на производство от 1969 до 1972 г.
- SF – година на производство от 1973 до 1988 г.
- ДВ – година на производство от 1989 до 1994г.
- SH – година на производство от 1995 до 1996 г.
- SJ – година на производство от 1997 до 2000 г.
- SL – година на производство от 2001 до 2003 г.
- SM – година на производство след 2004г
- SN – оборудвани автомобили модерна системанеутрализиране на отработените газове.
За дизел:
- CB – година на производство преди 1961г
- CC – година на производство преди 1983 г
- CD – година на издаване преди 1990 г
- CE – година на производство преди 1990 г. (двигател с турбокомпресор).
- CF – година на производство от 1990 г. (двигател с турбокомпресор).
- CG-4 – година на производство от 1994 г., (двигател с турбокомпресор).
- CH-4 – година на производство: 1998г
- CI-4 – модерни автомобили (двигател с турбокомпресор).
- CI-4 plus е много по-висок клас.
Това, което е добро за един двигател, е в опасност от ремонт за друг.
Моторно масло
Много собственици на автомобили са сигурни, че си струва да изберете по-вискозни масла, защото те са ключът към дълготрайната работа на двигателя. Това е сериозно погрешно схващане. Да, експертите наливат масло с висока степен на вискозитет под капаците на състезателните автомобили, за да постигнат максимален експлоатационен живот на силовия агрегат. Но обикновените леки автомобили са оборудвани с различна система, която просто ще се задуши, ако защитният филм е твърде дебел.
Какъв вискозитет на маслото е допустимо да се използва в двигателя на определена машина е описано във всяко ръководство за експлоатация.
В края на краищата, преди стартирането на масовите продажби на модели, автомобилните производители проведоха голям брой тестове, като взеха предвид възможните режими на шофиране и работа технически средствапри различни климатични условия. Анализирайки поведението на двигателя и способността му да поддържа стабилна работа при определени условия, инженерите установиха приемливи параметри за смазване на двигателя. Отклонението от тях може да провокира намаляване на мощността на задвижващата система, нейното прегряване, увеличаване на разхода на гориво и много други.
Моторно масло в двигателя
Защо степента на вискозитет е толкова важна при работата на механизмите? Представете си за момент вътрешността на двигателя: между цилиндрите и буталото има празнина, чийто размер трябва да позволява евентуално разширяване на частите поради високи температурни промени. Но за максимална ефективност тази празнина трябва да има минимална стойност, предотвратявайки навлизането на отработените газове, генерирани по време на изгарянето на горивната смес, в системата на двигателя. За да се гарантира, че тялото на буталото не се нагрява от контакт с цилиндрите, се използва моторна смазка.
Нивото на вискозитет на маслото трябва да гарантира работата на всеки елемент от задвижващата система. Производителите на силови агрегати трябва да постигнат оптимално съотношение на минималната междина между триещите се части и масления филм, предотвратявайки преждевременното износване на елементите и увеличавайки експлоатационния живот на двигателя. Съгласете се, по-безопасно е да се доверите на официални представители на автомобилна марка, знаейки как са получени тези знания, отколкото да се доверите на „опитни“ автомобилисти, които разчитат на интуицията.
Какво се случва, когато двигателят запали?
Ако вашият „железен приятел“ стои на студено цяла нощ, тогава на следващата сутрин вискозитетът на маслото, излято в него, ще бъде няколко пъти по-висок от изчислената работна стойност. Съответно дебелината на защитния филм ще надвишава празнините между елементите. При стартиране на студен двигател мощността му пада и температурата вътре в него се повишава. Така двигателят се загрява.
важно! По време на загряването не трябва да го натоварвате повече. Прекалено дебелата смазка ще попречи на движението на основните механизми и ще доведе до намаляване на живота на автомобила.
Вискозитет на двигателното масло при работни температури
След като двигателят загрее, охлаждащата система се активира. Един цикъл на двигателя изглежда така:
- Натискането на педала за газ увеличава оборотите на двигателя и увеличава натоварването върху него, в резултат на което се увеличава силата на триене на частите (тъй като твърде стипчивата течност все още не е успяла да влезе в пролуките между частите),
- температурата на маслото се повишава,
- степента на неговия вискозитет намалява (течливостта се увеличава),
- дебелината на масления слой намалява (изтича в пролуките между частите),
- силата на триене намалява,
- Температурата на масления филм е намалена (частично с помощта на охладителната система).
Всяка двигателна система работи на този принцип.
Вискозитет на моторните масла при температура – 20 градуса
Зависимостта на вискозитета на маслото от работната температура е очевидна. Точно както е очевидно, че високо нивозащитата на двигателя не трябва да намалява през целия период на работа. Най-малкото отклонение от нормата може да доведе до изчезване на моторния филм, което от своя страна ще се отрази негативно на „беззащитната“ част.
Всеки двигател с вътрешно горене, въпреки че има подобен дизайн, има уникален комплектпотребителски свойства: мощност, ефективност, екологичност и въртящ момент. Тези разлики се обясняват с разликата в хлабините на двигателя и работните температури.
За да се избере възможно най-точно маслото за превозно средство, са разработени международни класификации на моторни течности.
Класификацията, предвидена от стандарта SAE, информира собствениците на автомобили за средния диапазон на работна температура. Класификациите на API, ACEA и др. дават по-ясна представа за възможността за използване на смазочна течност в определени превозни средства.
Последици от пълнене на масло с висок вискозитет
Има моменти, когато собствениците на автомобили не знаят как да определят необходимия вискозитет на двигателното масло за своя автомобил и да попълнят този, препоръчан от продавачите. Какво се случва, ако пластичността е по-висока от необходимата?
Ако масло с висок вискозитет "пръска" в добре загрят двигател, тогава няма опасност за двигателя (при нормални обороти). В този случай температурата вътре в устройството просто ще се повиши, което ще доведе до намаляване на вискозитета на смазката. Тези. ситуацията ще се нормализира. Но! Редовното повторение на този модел значително ще намали живота на двигателя.
Ако внезапно „дадете газ“, което води до увеличаване на скоростта, степента на вискозитет на течността няма да съответства на температурата. Това ще доведе до превишаване на максимално допустимата температура в двигателното отделение. Прегряването ще доведе до увеличаване на силата на триене и намаляване на устойчивостта на износване на частите. Между другото, самото масло също ще загуби свойствата си за доста кратък период от време.
Няма да можете веднага да разберете, че вискозитетът на маслото не е подходящ за автомобила.
Първите „симптоми“ ще се появят едва след 100-150 хиляди километра. И основният индикатор ще бъде увеличаването на празнините между частите. Въпреки това дори опитни специалисти няма да могат определено да свържат повишения вискозитет и бързото намаляване на живота на двигателя. Поради тази причина официалните автосервизи често пренебрегват изискванията на производителите на автомобили. Освен това за тях е изгодно да ремонтират агрегати на автомобили, чийто гаранционен срок вече е изтекъл. Ето защо изборът на степен на вискозитет на маслото е трудна задача за всеки автомобилен ентусиаст.
Твърде нисък вискозитет: опасно ли е?
Моторно масло
Ниският вискозитет може да унищожи бензиновите и дизеловите двигатели. Този факт се обяснява с факта, че при повишени работни температури и натоварвания на двигателя, течливостта на обгръщащия филм се увеличава, в резултат на което вече течната защита просто „излага“ частите. Резултат: повишена сила на триене, повишен разход на гориво, деформация на механизмите. Невъзможно е да работите с кола дълго време с напълнена течност с нисък вискозитет - тя ще задръсти почти веднага.
Някои съвременни модели двигатели изискват използването на така наречените "енергоспестяващи" масла с намален вискозитет. Но те могат да се използват само ако има специални одобрения от производителите на автомобили: ACEA A1, B1 и ACEA A5, B5.
Стабилизатори на плътността на маслото
Поради постоянни температурни претоварвания, вискозитетът на маслото постепенно започва да намалява. И специални стабилизатори могат да помогнат за възстановяването му. Те могат да се използват в двигатели от всякакъв тип, чието износване е достигнало средно или високо ниво.
Стабилизаторите позволяват:
Стабилизатори
- увеличаване на вискозитета на защитния филм,
- намаляване на количеството сажди и отлагания върху цилиндрите на двигателя,
- намаляване на емисиите вредни веществав атмосферата,
- възстановяване на защитния маслен слой,
- постигане на „тишина“ при работа на двигателя,
- предотвратяване на окислителните процеси в корпуса на двигателя.
Използването на стабилизатори позволява не само да се увеличи периодът между смяната на маслото, но и да се възстановят загубите полезни свойствазащитен слой.
Видове специални смазочни материали, използвани в производството
Смазката за шпинделни машини има свойства с нисък вискозитет. Използването на такава защита е рационално при двигатели, които имат малък товар и работят при високи скорости. Най-често такава смазка се използва в текстилното производство.
Смазване на турбината. Основната му характеристика е да предпазва всички работещи механизми от окисляване и преждевременно износване. Оптималният вискозитет на турбинното масло позволява използването му в турбокомпресорни задвижвания, газови, парни и хидравлични турбини.
VMGZ или всесезонно хидравлично удебелено масло. Тази течност е идеална за оборудване, използвано в районите на Сибир, Далечния север и Далеч на изток. Това масло е предназначено за двигатели с вътрешно горене, оборудвани с хидравлични задвижвания. VMGZ не се разделя на летни и зимни масла, тъй като използването му предполага само нискотемпературен климат.
Суровините за хидравлично масло са компоненти с нисък вискозитет, съдържащи минерална основа. За да може маслото да достигне желаната консистенция, към него се добавят специални добавки.
Вискозитетът на хидравличното масло е показан в таблицата по-долу.
OilRite е друга смазка, използвана за консервиране и обработка на механизми. Има водоустойчива графитна основа и запазва свойствата си в температурен диапазон от минус 20 градуса по Целзий до плюс 70 градуса по Целзий.
заключения
Ясен отговор на въпроса: „кой е най-добрият вискозитет на моторното масло?“ не и не може да бъде. Работата е там, че необходимата степен на пластичност за всеки механизъм - било то тъкачен стан или двигател на състезателна кола - е различна и не може да бъде определена „на случаен принцип“. Необходимите параметри на смазочните течности се изчисляват от производителите емпирично, така че когато избирате течност за вашия автомобил, вие се ръководите предимно от инструкциите на разработчика. И след това можете да се обърнете към таблицата на вискозитета на моторното масло по температура.
Вискозитет- това е свойството на течността да издържа на срязващи сили. Вискозитетът е свойство, присъщо както на капковите течности, така и на газовете, което се проявява само при движение, не може да бъде открито в покой и се проявява под формата на вътрешно триене, когато съседни частици на течността се движат. Вискозитетът характеризира степента на течливост на течността и подвижността на нейните частици. Вискозитетът на течностите обяснява съпротивлението и загубата на налягане, които възникват при движението им през тръби, канали и други канали, както и при движение на чужди тела в тях.
Исак Нютон участва активно в изучаването на свойствата на вътрешното триене на течност, поставяйки основите на учението за вискозитета. Нютон предположи (по-късно потвърдено от експеримента), че съпротивителните сили, възникващи по време на такова плъзгане на слоеве, са пропорционални на площта на контакт на слоевете и скоростта на плъзгане. В резултат на това И. Нютон получава зависимост, характеризираща връзката между вискозитета и явлението вътрешно триене, което се нарича едноименен закон.
Оставете течността да тече по плоска стена в успоредни слоеве. Всеки слой ще се движи със собствена скорост и скоростта на слоевете ще се увеличава, когато се отдалечават от стената.
Нека разгледаме два слоя течност, движещи се на разстояние Δy един от друг. Тъй като има триене между слоевете и поради взаимно спиране, различните слоеве имат различни скоростии слой A се движи със скорост v, а слой B се движи със скорост (v+Δv). Стойността Δv е абсолютното изместване на слой A спрямо слой B, а стойността Δv/Δy е относителното изместване или градиент на скоростта. Тогава по време на движение възниква тангенциално напрежение τ (tau), което характеризира триенето на единица площ (вътрешно напрежение на триене).
Напрежението от вътрешно триене има физическо значение в зависимост от:
Където F tr- сила на вътрешно триене, N; С- контактна площ на повърхностите, m2.
Тогава, според закона на Нютон, връзката между напрежението и относителното изместване ще бъде:
тези. вътрешно напрежение на триене, пропорционално на градиента на скоростта.
Фактор на пропорционалност µ (mu) се извиква динамичен коефициент на вискозитет. От формулата става ясно, че динамичният коефициент на вискозитет е числено равен на вътрешното напрежение на триене в случай, че относителната скорост на две равнини A и B, отдалечени една от друга на разстояние 1 m, е равна на 1 m. /с.
Размерът на коефициента на динамичен вискозитет следва от формулата. Тъй като напрежението τ е силата на единица площ, тогава нейният размер е равен на:
Размер на градиента на скоростта:
Оттук размерът на динамичния коефициент на вискозитет:
Така единицата за измерване на динамичния вискозитет в системата от единици SI се приема за:
IN физическа системаЕдиницата за динамичен вискозитет е поазът, означен с „ П»:
Динамичният вискозитет на капковите течности, чиито молекули са разположени много близо една до друга, намалява с повишаване на температурата поради увеличаване на скоростта на брауновото движение, което отслабва задържащите връзки, тоест силата на сцепление.
Зависимост на коеф μ върху температурата обикновено се изразява с формулата:
къде е стойността при T= 0°C; АИ б-експериментални коефициенти в зависимост от физикохимичните свойства (тип) на течността; T-температура на течността в °C.
В газовете силите на привличане между молекулите се проявяват само при силно компресиране и в нормални условиягазовите молекули са в състояние на хаотично топлинно движение и триенето на газовите слоеве един срещу друг възниква само поради сблъсъка на молекулите. С повишаване на температурата скоростта на молекулите се увеличава, броят на техните сблъсъци се увеличава и вискозитетът се увеличава.
За прясна вода Поазей получава формулата:
За въздуха е известна формулата на Миликан:
В хидравликата, за характеризиране на вискозните свойства на газовете и парите, понякога вместо динамичния се използва друг коефициент на вискозитет, обозначен с буквата η (eta) и свързани с динамичния коефициент чрез уравнението
където g е ускорението на гравитацията, m/s 2 .
Очевидно този коефициент на вискозитет η има размерността:
В този случай мерната единица η в техническата система на единиците е
В хидравликата и производството, т.нар кинематичен коефициент на вискозитет ν(nu), дефиниран като съотношението на динамичния вискозитет към плътността:
Размер на коефициента на кинематичен вискозитет:
В системата SI единицата, приета за ν, е .
Мерна единица на коеф ν във физическа система служи като Стокс, означено с „ Св»:
Например кинематичният коефициент на вискозитет на водата е равен на
Реципрочната стойност на динамичния вискозитет се нарича течливост.
Вискозитетът на всички капкови течности намалява с повишаване на температурата. За да се получат точни хидравлични изчисления, се препоръчва да има графика (или таблица) на зависимостта на вискозитета от температурата, базирана на специални определяния в лабораторията. Трябва да сте много внимателни при боравене различни видовеномограми и формули, използвани за определяне на вискозитета на смес от два или повече различни петролни продукта.
Извиква се графика, характеризираща зависимостта на промените във вискозитета на течността от температурата вискограма(фиг. 1.3).
Фиг.1.3. Вискограма
За определяне на вискозитета на течност при произволна температура Tформулата на Рейнолдс-Филонов се използва с достатъчна точност:
Където ν - вискозитет при известна температура T , u- коефициент на наклона на вискограмата, който характеризира ъгъла на наклона на допирателната вискограма към абсцисната ос (фиг. 1.4) и се определя по формулата:
Фиг. 1.4 Определяне на коефициента на наклона на вискограмата
По този начин е възможно да се характеризира всяка течност и да се определи нейният вискозитет при всяка температура, като се знаят координатите на две произволни точки на вискограмата. Струва си да се отбележи, че за капковидни течности коефициентът на вискограма е положителен, но има течности, чийто вискозитет се променя малко с температурни промени; за газообразни течности коефициентът на вискограма е отрицателен. Има течности, чийто вискозитет зависи малко от температурата; химични съединенияи се използват като работници в хидравлични машини, като виско съединители.
Има течности, за които законът на I. Нютон не важи. За разлика от обикновените нютонови течности, тези течности се наричат ненютонови, или ненормално.
Стойности на кинематичния вискозитет ν на вода и въздух
Вискозитетът на различни видове течности със същото име, например масло, в зависимост от химичен състави молекулярната структура може да има различни значения.
За вискозни масла, средни стойности u= 0,05 + 0,1 за 1°C.
Вискозитетът на течностите, както показват експериментите, също зависи от налягането. С увеличаване на налягането то обикновено се увеличава. Изключение прави водата, за която при температури до 32 ° C, с увеличаване на налягането, вискозитетът намалява. При налягане, срещано в практиката (до 20 MPa), промяната във вискозитета на течностите е много малка и не се взема предвид в конвенционалните хидравлични изчисления.
ВИСКОЗИТЕТ, свойството на течност (или газ) да се съпротивлява на потока.
Вискозитетът също се счита за едно от явленията на пренос, което определя разсейването на енергия по време на деформация на средата. Вискозитетът на твърдите вещества има редица характеристики и обикновено се разглежда отделно (виж Вътрешно триене).
По време на ламинарно движение на течност между две плоскопаралелни плочи, едната от които е неподвижна, а другата се движи със скорост ν, молекулярният слой, непосредствено съседен на долната плоча, остава неподвижен, а слоят, съседен на горната плоча, ще се движи максимално скорост (фиг.) . Потокът на течност се характеризира с градиент на скоростта γ = dv/dz, показващ скоростта на промяна на скоростта от слой на слой в посока, перпендикулярна на движението на течността. Ако скоростта се променя линейно, тогава γ?= v/d, където d е разстоянието между плочите. Величината γ се нарича още скорост на срязване.
Съгласно основния закон на вискозния поток, установен от I. Newton (публикуван през 1687 г.), напрежението на срязване τ = F/S, причиняващо потока на течността, е пропорционално на градиента на скоростта на потока: τ = ηγ?. Коефициентът на пропорционалност η се нарича коефициент на динамичен вискозитет или просто вискозитет. Той характеризира съпротивлението на флуида на потока. Вискозитетът може да се разглежда и като мярка за енергията, разсейвана под формата на топлина, докато течността тече. Разсейването на енергия възниква поради предаването на инерция. Стойностите на коефициента на вискозитет и мощността W, разсейвана на единица обем поради вискозитета, са свързани със съотношението: W = ηγ? 2.
Съотношението, установено от Нютон, е валидно само в случай, когато η не зависи от скоростта на срязване. Среди, в които това условие е изпълнено, се наричат нютонови (виж Нютонова течност).
Единицата SI за динамичен вискозитет е Pa s [в CGS е поаз (dyne s/cm2): 1 poise = 0,1 Pa s]. Стойността φ= 1/η, реципрочната на вискозитета, се нарича течливост. Също така често се разглежда кинематичният вискозитет ν = η/ρ (където ρ е плътността на веществото), измерен в m 2 / s (SI) и Stokes (GHS). Вискозитетът на течности и газове се измерва с помощта на вискозиметри (виж Вискозиметрия).
Вискозитетът на идеалните газове се определя от съотношението: η = (1/3)mn??, където m е масата на молекулата, n е броят на молекулите в единица обем, ? - средна скорост на молекулите, ? е свободният път на молекулата.
Вискозитетът на газовете се увеличава при нагряване, докато вискозитетът на течностите, напротив, намалява. Това се дължи на различните молекулярни механизми на вискозитета в тези системи. Има два механизма на предаване на импулса: кинетичен (без сблъсъци между молекули) и сблъсък. Първият е преобладаващ в разреден газ, вторият - в плътен газ и течност.
В газовете разстоянията между молекулите са значително по-големи от радиуса на действие на молекулните сили, следователно вискозитетът на газовете е следствие от хаотичното (топлинно) движение на молекулите, в резултат на което молекулите се движат от слой на слой, забавяйки надолу по течението. Тъй като средната скорост на молекулите? нараства с повишаване на температурата, вискозитетът на газовете се увеличава при нагряване.
Вискозитетът на течностите, където разстоянието между молекулите е много по-малко, отколкото в газовете, се дължи главно на междумолекулни взаимодействия, които ограничават мобилността на молекулите. С повишаването на температурата взаимното движение на молекулите става по-лесно, междумолекулните взаимодействия отслабват и следователно вътрешното триене на течността намалява.
Вискозитетът на течността се определя от размера и формата на молекулите, техните относителна позицияи силата на междумолекулните взаимодействия. Вискозитетът зависи от химическата структура на течните молекули. Да, вискозитет органична материясе увеличава с въвеждането на полярни групи и пръстени в молекулата. В хомоложни серии (наситени въглеводороди, алкохоли, органични киселинии т.н.) вискозитетът на съединенията се увеличава с увеличаване на молекулното тегло.
Вискозитетът на разтворите зависи от тяхната концентрация и може да бъде по-голям или по-малък от вискозитета на чист разтворител. Вискозитетът на изключително разредените суспензии зависи линейно от обемната фракция φ на суспендираните частици: η = η 0 (1 + αφ) (формула на Айнщайн), където η 0 е вискозитетът на дисперсионната среда. Коефициентът α зависи от формата на частиците; по-специално за сферични частици α = 2,5. Подобна зависимост на вискозитета от обемната фракция се наблюдава в разтвори на глобуларни протеини.
Вискозитетът може да варира в широки граници. Следват стойностите на вискозитета на някои течности и газове при температура 20°C (в 10 -3 Pa s): газове - водород 0,0088, азот 0,0175, кислород 0,0202; течности - вода 1.002, етанол 1.200, живак 1.554, нитробензен 2.030, глицерол 1.485.
Течният хелий има най-нисък вискозитет. При температура от 2,172 К преминава в свръхфлуидно състояние, при което вискозитетът е нула (вижте Свръхфлуидност). Вискозитетът на газовете е стотици пъти по-малък от вискозитета на обикновените течности. Вискозитетът на разтопените метали е близък по порядък до вискозитета на обикновените течности.
Полимерните разтвори и стопилки имат висок вискозитет. Вискозитетът на дори разредените полимерни разтвори е значително по-висок от вискозитета на съединенията с ниско молекулно тегло. Това се дължи на факта, че размерите на полимерните макромолекули са толкова големи, че различни участъци от една и съща макромолекула завършват в слоеве, движещи се с различни скорости, което причинява допълнително съпротивление на потока. Вискозитетът на по-концентрираните полимерни разтвори става още по-висок поради заплитането на макромолекулите една с друга. Един от методите за оценка на молекулното тегло на полимерите се основава на измерване на вискозитета на разтворите.
Наличието в полимерни разтвори на пространствени структури, образувани от адхезията на макромолекули, води до появата на така наречения структурен вискозитет, който (за разлика от вискозитета на нютоновите течности) зависи от напрежението на срязване (или скоростта) (виж Реология). Когато тече структурирана течност, работете външни силисе изразходва не само за преодоляване на вътрешното триене, но и за разрушаване на конструкцията.
Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс обща физика. Механика и Молекулярна физика. 2-ро изд. М., 1969; Филипова О. Е., Хохлов А. Р. Вискозитет на разредени полимерни разтвори. М., 2002; Schramm G. Основи на практическата реология и реометрия. М., 2003.
В състояние на баланс различни фазивеществата са в покой едно спрямо друго. При тяхното относително движение се появяват спирачни сили (вискозитет), които се стремят да намалят относителната скорост. Механизмът на вискозитета може да се сведе до обмен на импулс на подреденото движение на молекули между различни слоеве в газове и течности. Възникването на сили на вискозно триене в газове и течности се нарича процес на прехвърляне. Вискозитетът на твърдите вещества има редица съществени характеристики и се разглежда отделно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Кинематичен вискозитетсе определя като съотношението на динамичния вискозитет () към плътността на веществото. Обикновено се обозначава с буквата (nu). След това записваме математическата дефиниция на коефициента на кинематичен вискозитет като:
където е плътността на газа (течността).
Тъй като в израз (1) плътността на веществото е в знаменателя, тогава, например, разреден въздух при налягане 7,6 mm Hg. Изкуство. и температура от 0 o C има кинематичен вискозитет два пъти по-голям от глицерина.
Кинематичен вискозитет на въздуха при нормални условиячесто се счита за равен, следователно при движение в атмосферата се използва законът на Стокс, когато произведението на радиуса на тялото (cm) и неговата скорост () не надвишава 0,01.
Кинематичният вискозитет на водата при нормални условия често се счита за от порядъка на , следователно при движение във вода се прилага законът на Стокс, когато произведението на радиуса на тялото (cm) и неговата скорост () не надвишава 0,001.
Кинематичен вискозитет и числа на Рейнолдс
Числата на Рейнолдс (Re) се изразяват с помощта на кинематичен вискозитет:
където са линейните размери на тяло, движещо се в материя, и е скоростта на движение на тялото.
В съответствие с израз (2), за тяло, движещо се с постоянна скорост, числото намалява, ако кинематичният вискозитет се увеличи. Ако числото Re е малко, тогава в челното съпротивление силите на вискозното триене преобладават над силите на инерцията. И обратно, големи числа Reynolds, които се наблюдават при ниски кинематични вискозитети, показват приоритета на инерционните сили над триенето.
Числото на Рейнолдс е малко при дадена стойност на кинематичния вискозитет, когато размерът на тялото и скоростта на неговото движение са малки.
Мерни единици за кинематичен коефициент на вискозитет
Основната единица SI за кинематичен вискозитет е:
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
| Упражнение | Метална топка (нейната плътност е равна на ) се спуска равномерно в течност (плътността на течността е равна на кинематичния вискозитет). При какъв максимален възможен диаметър на топката потокът около нея ще остане ламинарен? Помислете, че преходът към турбулентен поток става при Re=0,5. Вземете диаметъра на топката като характерен размер. |
| Решение | Да направим рисунка Използвайки втория закон на Нютон, получаваме израза: където е силата на Архимед и е силата на вискозното триене. В проекция върху оста Y, уравнение (1.1) ще приеме формата: В този случай имаме: при което:
Замествайки резултатите (1.3)-(1.5) в (1.2), имаме: Числото на Рейнолдс се определя в нашия случай като:
|
В индустрията, научна дейностЧесто е необходимо да се изчисли коефициентът на вискозитет на течността. Работата с конвенционални или диспергирани среди под формата на аерозоли и газови емулсии изисква познаване на физичните свойства на тези вещества.
Какъв е вискозитетът на течност?
Нютон също полага основите на науката реология. Този раздел изучава съпротивлението на веществото по време на движение, т.е. вискозитет.
В течности и газове молекулите взаимодействат непрекъснато. Те се удрят, биват отблъсквани или просто прелитат. В резултат на това слоевете материя изглежда взаимодействат един с друг, придавайки скорост на всеки от тях. Феноменът на такова взаимодействие между молекулите на течности/газове се нарича вискозитет или вътрешно триене.
За по-добро изследване на този процес е необходимо да се демонстрира експеримент с две плочи, между които има течна среда. Ако преместите горната плоча, слоят течност, „залепнал“ към нея, също ще започне да се движи с определена скорост v1. След кратък период от време забелязваме, че долните слоеве течност също започват да се движат по същата траектория със скорости v2, v3...vn и т.н., с v1>v2, v3...vn. Скоростта на най-ниската остава нула.
Използвайки газ като пример, е почти невъзможно да се проведе такъв експеримент, тъй като силите на взаимодействие на молекулите една с друга са много малки и няма да е възможно да се регистрира това визуално. Тук също говорим за слоеве, за скоростта на движение на тези слоеве, следователно вискозитет съществува и в газообразни среди.
Нютонови и ненютонови среди
Нютоновата течност е течност, чийто вискозитет може да се изчисли с помощта на формулата на Нютон.
Такива среди включват вода и разтвори. Коефициентът на вискозитет на течност в такава среда може да зависи от фактори като температура, налягане или атомна структура на веществото, но градиентът на скоростта винаги ще остане непроменен.
Ненютоновите течности са среди, в които горепосочената стойност може да се промени, което означава, че формулата на Нютон няма да се прилага тук. Такива вещества включват всички диспергирани среди (емулсии, аерозоли, суспензии). Това включва и кръвта. Ще говорим за това по-подробно по-късно.
Кръвта като вътрешна среда на тялото
Както знаете, 80% от кръвта е плазма, която има течно агрегатно състояние, а останалите 20% са еритроцити, тромбоцити, левкоцити и различни включвания. Човешките червени кръвни клетки имат диаметър 8 nm. Когато са неподвижни, те образуват агрегати под формата на монетни колони, като същевременно значително увеличават вискозитета на течността. Ако кръвният поток е активен, тези „структури“ се разпадат и вътрешното триене съответно намалява.
Коефициенти на среден вискозитет
Взаимодействието на слоевете на средата един с друг влияе върху характеристиките на цялата течна или газова система. Вискозитетът е един пример за физическо явление, наречено триене. Благодарение на него горните и долните слоеве на средата постепенно изравняват скоростта на своя ток и в крайна сметка тя става равна на нула. Вискозитетът може също да се характеризира като съпротивление на един слой от средата спрямо друг.
За да се опишат такива явления, се разграничават две качествени характеристики на вътрешното триене:
- коефициент на динамичен вискозитет (динамичен вискозитет на течността);
- кинетичен коефициент на вискозитет (кинетичен вискозитет).
И двете величини са свързани с уравнението υ = η / ρ, където ρ е плътността на средата, υ е кинетичният вискозитет, а η е динамичният вискозитет.
Методи за определяне на вискозитета на течността
Вискозиметрията е измерване на вискозитета. На модерен етапВ развитието на науката стойността на вискозитета на течността може да бъде намерена практически по четири начина:
1. Капилярен метод. За да го извършите, трябва да имате два съда, свързани със стъклен канал с малък диаметър известна дължина. Също така трябва да знаете стойностите на налягането в един съд и в другия. Течността се поставя в стъклен канал и за определен период от време тече от една колба в друга.
Допълнителни изчисления се правят с помощта на формулата на Поазей, за да се намери стойността на коефициента на вискозитет на течността.
На практика течните среди могат да бъдат смеси, загряти до 200-300 градуса. Обикновена стъклена тръба при такива условия просто ще се деформира или дори ще се спука, което е недопустимо. Съвременните капилярни вискозиметри са изработени от висококачествен и устойчив материал, който лесно издържа на такива натоварвания.
2. Медицински метод по Хесе. За да се изчисли вискозитета на течност по този начин, е необходимо да има не една, а две еднакви капилярни инсталации. В една от тях предварително е поставена среда известна стойноствътрешно триене, а в другия - изпитваната течност. След това се измерват две времеви стойности и се прави пропорция, чрез която се достига до желаното число.
3. Ротационен метод. За да се осъществи, е необходимо да има структура от два коаксиални цилиндъра. Това означава, че единият от тях трябва да е вътре в другия. В пространството между тях се излива течност и след това вътрешният цилиндър се ускорява. Тази ъглова скорост също се предава на течността. Разликата в въртящия момент позволява да се изчисли вискозитета на средата.
4. Определяне на вискозитета на течността по метода на Стокс. За да проведете този експеримент, трябва да имате вискозиметър на Хеплер, който представлява цилиндър, пълен с течност. Преди да започнете експеримента, направете две марки върху цилиндъра и измерете дължината между тях. След това вземат топка с определен радиус R и я спускат в течната среда. За да определите скоростта на падането му, намерете времето, необходимо на обекта да се премести от една точка до друга. Познавайки скоростта на топката, можете да изчислите вискозитета на течността.
Практическо приложение на вискозиметри
Определянето на вискозитета на течност е от голямо практическо значение в нефтопреработвателната промишленост. При работа с многофазни, диспергирани среди е важно да ги познавате физични свойства, особено вътрешно триене. Съвременните вискозиметри са изработени от издръжливи материали и в производството им се използват съвременни технологии. Всичко това заедно ви позволява да работите с висока температураи налягане без вреда за самото оборудване.
Вискозитетът на флуида играе голяма роля в промишлеността, тъй като транспортирането, преработката и производството, например на масло, зависят от стойностите на вътрешното триене на течната смес.
Каква роля играе вискозитетът в медицинското оборудване?
Потокът на газовата смес през ендотрахеалната тръба зависи от вътрешното триене на този газ. Промяната във вискозитета на средата тук има различен ефект върху проникването на въздух през апарата и зависи от състава на газовата смес.
Въведение лекарства, ваксини чрез спринцовка също са ярък примерефекти на среден вискозитет. Говорим за падане на налягането в края на иглата при инжектиране на течност, въпреки че първоначално се смяташе, че този физически феномен може да бъде пренебрегнат. Възникване високо наляганена върха - това е резултат от вътрешно триене.
Заключение
Вискозитетът на средата е един от физични величини, който има голямо практическо приложение. В лабораторията, индустрията, медицината - във всички тези области понятието вътрешно триене се появява много често. Работата на най-простото лабораторно оборудване може да зависи от степента на вискозитет на средата, използвана за изследване. Дори преработвателната индустрия не може без познания в областта на физиката.
