Výběr motorového oleje je vážný úkol pro každého automobilového nadšence. A hlavním parametrem, podle kterého by měl být výběr proveden, je viskozita oleje. Viskozita oleje charakterizuje stupeň tloušťky motorové kapaliny a její schopnost udržet si své vlastnosti při změnách teploty.
Pokusme se zjistit, v jakých jednotkách by se měla měřit viskozita, jaké funkce plní a proč hraje obrovskou roli v provozu celého motorového systému.
Provoz spalovacího motoru zahrnuje nepřetržitou interakci jeho konstrukčních prvků. Představme si na chvíli, že motor běží nasucho. co se s ním stane? Za prvé, třecí síla zvýší teplotu uvnitř zařízení. Za druhé dojde k deformaci a opotřebení dílů. A nakonec to vše povede k úplnému zastavení spalovacího motoru a nemožnosti jeho dalšího použití. Správně zvolený motorový olej plní následující funkce:
- chrání motor před přehřátím,
- zabraňuje rychlému opotřebení mechanismů,
- zabraňuje tvorbě koroze,
- odstraňuje saze, saze a produkty spalování paliva mimo systém motoru,
- pomáhá zvýšit zdroj pohonné jednotky.
Normální fungování motorického oddělení bez mazací kapaliny je tedy nemožné.
Důležité! Nalijte do motoru vozidlo Potřebujete pouze olej, jehož viskozita odpovídá požadavkům výrobců automobilů. V tomto případě bude účinnost maximální a opotřebení pracovních jednotek bude minimální. Neměli byste věřit názorům prodejních poradců, přátel a specialistů autoservisu, pokud se liší od návodu k vozidlu. Ostatně jen výrobce může s jistotou vědět, čím motor naplnit.
Index viskozity oleje
Koncept viskozity oleje implikuje schopnost kapaliny být viskózní. Stanovuje se pomocí indexu viskozity. Index viskozity oleje je hodnota, která ukazuje stupeň viskozity olejové kapaliny při změnách teploty. Maziva s vysokým stupněm viskozity mají následující vlastnosti:
- Při studeném startu motoru má ochranný film silnou tekutost, která zajišťuje rychlé a rovnoměrné rozložení maziva po celé pracovní ploše;
- zahřívání motoru způsobuje zvýšení viskozity filmu. Tato vlastnost umožňuje zachovat ochranný film na površích pohyblivých částí.
Tito. oleje s vysokým viskozitním indexem se snadno přizpůsobí teplotnímu přetížení, zatímco nízký viskozitní index motorového oleje ukazuje na nižší schopnost. Takové látky mají tekutější skupenství a tvoří na dílech tenký ochranný film. V podmínkách záporných teplot bude motorová kapalina s nízkým indexem viskozity ztěžovat spuštění pohonné jednotky a při vysokých teplotách nebude schopna zabránit vysokým třecím silám.
Viskozitní index se vypočítá podle GOST 25371-82. Můžete to vypočítat pomocí online služeb na internetu.
Kinematická a dynamická viskozita
Stupeň tažnosti materiálu motoru je určen dvěma ukazateli - kinematickou a dynamickou viskozitou.
Motorový olej
Kinematická viskozita oleje je indikátor, který odráží jeho tekutost při normálních (+40 stupňů Celsia) a vysokých (+100 stupňů Celsia) teplotách. Metoda měření této hodnoty je založena na použití kapilárního viskozimetru. Zařízení měří čas potřebný k vytečení olejové kapaliny při daných teplotách. Kinematická viskozita se měří v mm2/s.
Dynamická viskozita oleje se také vypočítává empiricky. Ukazuje odporovou sílu olejové kapaliny, ke které dochází při pohybu dvou vrstev oleje, vzdálených od sebe 1 centimetr a pohybujících se rychlostí 1 cm/s. Jednotky měření pro tuto veličinu jsou Pascal sekundy.
Stanovení viskozity oleje musí probíhat za různých teplotních podmínek, protože kapalina není stabilní a mění své vlastnosti při nízkých a vysokých teplotách.
Tabulka viskozity motorového oleje podle teploty je uvedena níže.
Vysvětlení označení motorového oleje
Jak již bylo uvedeno výše, viskozita je hlavním parametrem ochranné kapaliny, charakterizující její schopnost zajistit výkon vozidla v různých klimatické podmínky.
Podle mezinárodního klasifikačního systému SAE mohou být motorová maziva tří typů: zimní, letní a celoroční.
Olej určený pro zimní použití je označen číslem a písmenem W, například 5W, 10W, 15W. První symbol označení označuje rozsah záporných provozních teplot. Písmeno W – od anglické slovo„Zima“ - zima - informuje kupujícího o možnosti použití maziva v náročných nízkoteplotních podmínkách. Má větší tekutost než jeho letní protějšek, aby bylo zajištěno snadné startování při nízkých teplotách. Tekutý film okamžitě obalí studené prvky a usnadní jejich rolování.
Hranice záporných teplot, při kterých zůstává olej funkční, je následující: pro 0W - (-40) stupňů Celsia, pro 5W - (-35) stupňů, pro 10W - (-25) stupňů, pro 15W - (-35) stupně.
Letní kapalina má vysokou viskozitu, která umožňuje filmu pevněji „přilnout“ k pracovním prvkům. Při příliš vysokých teplotách se tento olej rovnoměrně šíří po pracovní ploše dílů a chrání je před silným opotřebením. Tento olej je označen čísly, například 20,30,40 atd. Tento údaj charakterizuje vysokoteplotní hranici, ve které si kapalina zachovává své vlastnosti.
Důležité! Co znamenají čísla? Čísla letního parametru v žádném případě neznamenají maximální teplota, na kterém může vozidlo pracovat. Jsou podmíněné a nemají nic společného se stupnicí stupňů.
Olej s viskozitou 30 funguje normálně při teplotách životní prostředí do +30 stupňů Celsia, 40 – až +45 stupňů, 50 – až +50 stupňů.
Univerzální olej poznáte snadno: jeho označení obsahuje dvě čísla a mezi nimi písmeno W, například 5w30. Jeho použití zahrnuje jakékoli klimatické podmínky, ať je to krutá zima nebo horké léto. V obou případech se olej přizpůsobí změnám a zachová funkčnost celého systému motoru.
Mimochodem, klimatický rozsah univerzálního oleje je určen jednoduše. Například pro 5W30 se pohybuje od minus 35 do +30 stupňů Celsia.
Celoroční oleje jsou vhodné k použití, a proto se nacházejí na regálech prodejců automobilů častěji než letní a zimní možnosti.
Abyste měli lepší představu o tom, jaká viskozita motorového oleje je vhodná ve vaší oblasti, níže je tabulka s rozsahem provozních teplot pro každý typ maziva.
Průměrný rozsah výkonu oleje
Když jsme zjistili, co znamenají čísla viskozity oleje, pojďme k dalšímu standardu. Klasifikace motorového oleje podle viskozity také ovlivňuje normu API. V závislosti na typu motoru začíná označení API písmenem S nebo C. S znamená benzínové motory, C znamená dieselové motory. Druhé písmeno klasifikace označuje jakostní třídu motorového oleje. A čím dále je toto písmeno od začátku abecedy, tím je lepší kvalita ochranná kapalina.
Pro systémy benzinových motorů existují následující označení:
- SC – rok výroby před 1964
- SD – rok výroby od 1964 do 1968.
- SE – rok výroby od 1969 do 1972.
- SF – rok výroby od 1973 do 1988.
- SG – rok výroby od 1989 do 1994.
- SH – rok výroby od 1995 do 1996.
- SJ – rok výroby od 1997 do 2000.
- SL – rok výroby od 2001 do 2003.
- SM – rok výroby po 2004
- SN – vozy vybavené moderní systém neutralizace výfukových plynů.
Pro diesel:
- CB – rok výroby před 1961
- CC – rok výroby před 1983
- CD – rok vydání před rokem 1990
- CE – rok výroby před rokem 1990 (motor přeplňovaný).
- CF – rok výroby od 1990, (motor přeplňovaný).
- CG-4 – rok výroby od 1994, (motor přeplňovaný).
- CH-4 – rok výroby: 1998
- CI-4 – moderní vozy (přeplňovaný motor).
- CI-4 plus je mnohem vyšší třída.
Co je dobré pro jeden motor, u jiného hrozí oprava.
Motorový olej
Mnoho majitelů automobilů si je jisto, že stojí za to zvolit viskóznější oleje, protože jsou klíčem k dlouhodobému provozu motoru. To je vážná mylná představa. Ano, odborníci lijí pod kapoty závodních vozů olej s vysokým stupněm viskozity, aby dosáhli maximální životnosti pohonné jednotky. Běžná osobní auta jsou ale vybavena jiným systémem, který se při příliš silné ochranné fólii jednoduše zadusí.
Jaká viskozita oleje je přípustná pro použití v motoru konkrétního stroje je popsána v každém návodu k obsluze.
Koneckonců, před zahájením masového prodeje modelů provedli automobilky velké množství testů s ohledem na možné jízdní režimy a provoz technické prostředky v různých klimatických podmínkách. Analýzou chování motoru a jeho schopnosti udržovat stabilní provoz za určitých podmínek technici stanovili přijatelné parametry pro mazání motoru. Odchylka od nich může vyvolat snížení výkonu pohonného systému, jeho přehřátí, zvýšení spotřeby paliva a mnoho dalšího.
Motorový olej v motoru
Proč je stupeň viskozity při provozu mechanismů tak důležitý? Představte si na chvíli vnitřek motoru: mezi válci a pístem je mezera, jejíž velikost by měla umožnit případné roztažení dílů vlivem vysokých teplotních změn. Pro maximální účinnost však musí mít tato mezera minimální hodnotu, aby se zabránilo vnikání výfukových plynů vznikajících při spalování palivové směsi do systému motoru. Aby se těleso pístu při kontaktu s válci nezahřívalo, používá se motorové mazivo.
Úroveň viskozity oleje musí zajistit výkon každého prvku pohonného systému. Výrobci pohonných jednotek musí dosáhnout optimálního poměru minimální mezery mezi třecími částmi a olejovým filmem, zamezit předčasnému opotřebení prvků a zvýšit životnost motoru. Souhlasíte, že je bezpečnější důvěřovat oficiálním zástupcům automobilové značky, kteří vědí, jak byly tyto znalosti získány, než věřit „zkušeným“ motoristům, kteří se spoléhají na intuici.
Co se stane, když motor naskočí?
Pokud váš „železný přítel“ stál celou noc v chladu, pak příští ráno bude viskozita oleje nalitého do něj několikrát vyšší než vypočítaná provozní hodnota. V souladu s tím bude tloušťka ochranného filmu přesahovat mezery mezi prvky. Při nastartování studeného motoru jeho výkon klesá a teplota uvnitř stoupá. Tím se motor zahřívá.
Důležité! Během zahřívání byste mu neměli dávat zvýšenou zátěž. Příliš husté mazivo bude bránit pohybu hlavních mechanismů a povede ke snížení životnosti vozidla.
Viskozita motorového oleje při provozních teplotách
Po zahřátí motoru se aktivuje chladicí systém. Jeden cyklus motoru vypadá takto:
- Sešlápnutí plynového pedálu zvyšuje otáčky motoru a zvyšuje jeho zatížení, v důsledku čehož se zvyšuje třecí síla součástí (protože příliš adstringentní kapalina ještě neměla čas dostat se do mezer mezi částmi),
- teplota oleje stoupá,
- klesá stupeň jeho viskozity (zvyšuje se tekutost),
- tloušťka olejové vrstvy se zmenšuje (prosakuje do mezer mezi díly),
- třecí síla klesá,
- Teplota olejového filmu se sníží (částečně pomocí chladicího systému).
Na tomto principu funguje jakýkoli motorický systém.
Viskozita motorových olejů při teplotě – 20 stupňů
Závislost viskozity oleje na provozní teplotě je zřejmá. Stejně jako je zřejmé, že vysoká úroveň ochrana motoru by se po celou dobu provozu neměla snižovat. Sebemenší odchylka od normy může vést ke zmizení filmu motoru, což zase negativně ovlivní „bezbrannou“ část.
Každý spalovací motor, ač má podobnou konstrukci, má unikátní sada spotřebitelské vlastnosti: výkon, účinnost, šetrnost k životnímu prostředí a točivý moment. Tyto rozdíly jsou vysvětleny rozdílem ve vůli motoru a provozních teplotách.
Aby bylo možné co nejpřesněji vybrat olej pro vozidlo, byly vyvinuty mezinárodní klasifikace motorových kapalin.
Klasifikace stanovená normou SAE informuje majitele automobilů o průměrném rozsahu provozních teplot. Klasifikace API, ACEA atd. dávají jasnější představu o možnosti použití maziva v určitých vozidlech.
Důsledky plnění oleje s vysokou viskozitou
Jsou chvíle, kdy majitelé automobilů nevědí, jak určit požadovanou viskozitu motorového oleje pro své auto, a vyplnit tu, kterou doporučují prodejci. Co se stane, když je tažnost vyšší, než je požadováno?
Pokud v dobře zahřátém motoru „stříká“ olej s vysokou viskozitou, pak pro motor (při normálních otáčkách) žádné nebezpečí nehrozí. V tomto případě se teplota uvnitř jednotky jednoduše zvýší, což povede ke snížení viskozity maziva. Tito. situace se vrátí do normálu. Ale! Pravidelné opakování tohoto vzoru výrazně sníží životnost motoru.
Pokud náhle „dáte plyn“, což způsobí zvýšení rychlosti, stupeň viskozity kapaliny nebude odpovídat teplotě. To způsobí překročení maximální přípustné teploty v motorovém prostoru. Přehřátí způsobí zvýšení třecí síly a snížení odolnosti dílů proti opotřebení. Mimochodem, i samotný olej ztratí své vlastnosti v poměrně krátké době.
Že viskozita oleje není pro vozidlo vhodná, hned tak nezjistíte.
První „symptomy“ se objeví až po 100–150 tisících kilometrech. A hlavním ukazatelem bude zvětšení mezer mezi částmi. Ani zkušení specialisté však nebudou schopni definitivně spojit zvýšenou viskozitu a rychlé snížení životnosti motoru. Z tohoto důvodu oficiální autoservisy často zanedbávají požadavky výrobců vozidel. Navíc se jim vyplatí opravovat pohonné jednotky aut, kterým již uplynula záruční doba. Proto je volba stupně viskozity oleje pro každého automobilového nadšence obtížným úkolem.
Příliš nízká viskozita: je to nebezpečné?
Motorový olej
Nízká viskozita může zničit benzínové a naftové motory. Tato skutečnost je vysvětlena skutečností, že při zvýšených provozních teplotách a zatížení motoru se zvyšuje tekutost obalové fólie, v důsledku čehož již kapalná ochrana jednoduše „odhaluje“ části. Výsledek: zvýšená třecí síla, zvýšená spotřeba paliva, deformace mechanismů. S naplněnou nízkoviskózní kapalinou nelze auto dlouhodobě provozovat - téměř okamžitě se zasekne.
Některé moderní modely motorů vyžadují použití takzvaných „energeticky úsporných“ olejů se sníženou viskozitou. Lze je však použít pouze v případě, že existují speciální schválení od výrobců automobilů: ACEA A1, B1 a ACEA A5, B5.
Stabilizátory tloušťky oleje
Vlivem stálého teplotního přetížení se viskozita oleje postupně začíná snižovat. A speciální stabilizátory ji mohou pomoci obnovit. Mohou být použity v motorech jakéhokoli typu, jejichž opotřebení dosáhlo průměrné nebo vysoké úrovně.
Stabilizátory umožňují:
Stabilizátory
- zvýšit viskozitu ochranného filmu,
- snížit množství sazí a usazenin na válcích motoru,
- snížit emise škodlivé látky v atmosféře,
- obnovit ochrannou olejovou vrstvu,
- dosáhnout „ticha“ při provozu motoru,
- zabraňuje oxidačním procesům uvnitř krytu motoru.
Použití stabilizátorů umožňuje nejen prodloužit dobu mezi výměnami oleje, ale také obnovit ztracené prospěšné vlastnosti ochranná vrstva.
Typy speciálních maziv používaných ve výrobě
Mazivo pro vřetena má vlastnosti s nízkou viskozitou. Použití takové ochrany je racionální u motorů, které mají nízkou zátěž a pracují při vysokých rychlostech. Nejčastěji se takové mazivo používá v textilní výrobě.
Turbínové mazání. Jeho hlavním rysem je ochrana všech pracovních mechanismů před oxidací a předčasným opotřebením. Optimální viskozita turbínového oleje umožňuje jeho použití v turbokompresorových pohonech, plynových, parních a hydraulických turbínách.
VMGZ nebo celoroční hydraulický zahuštěný olej. Tato kapalina je ideální pro zařízení používaná v oblastech Sibiře, Dálného severu a Dálný východ. Tento olej je určen pro spalovací motory vybavené hydraulické pohony. VMGZ se nedělí na letní a zimní oleje, protože jeho použití předpokládá pouze nízkoteplotní klima.
Surovinou pro hydraulický olej jsou nízkoviskózní komponenty obsahující minerální bázi. Aby olej dosáhl požadované konzistence, přidávají se do něj speciální přísady.
Viskozita hydraulického oleje je uvedena v tabulce níže.
OilRite je další mazivo používané pro konzervaci a ošetření mechanismů. Má voděodolnou grafitovou základnu a své vlastnosti si zachovává v rozmezí teplot od minus 20 stupňů Celsia do plus 70 stupňů Celsia.
závěry
Jasná odpověď na otázku: Jaká je nejlepší viskozita motorového oleje? ne a nemůže být. Jde o to, že požadovaný stupeň tažnosti pro každý mechanismus - ať už jde o tkalcovský stav nebo motor závodního auta - je jiný a nelze jej určit „náhodně“. Požadované parametry mazacích kapalin počítají výrobci empiricky, proto se při výběru kapaliny pro vaše vozidlo řídíte především pokyny vývojáře. A poté se můžete podívat na tabulku viskozity motorového oleje podle teploty.
Viskozita- to je vlastnost kapaliny odolávat smykovým silám. Viskozita je vlastnost vlastní kapičkám kapalin i plynů, která se projevuje pouze při pohybu, nelze ji detekovat v klidu a projevuje se ve formě vnitřního tření při pohybu sousedních částic kapaliny. Viskozita charakterizuje stupeň tekutosti kapaliny a pohyblivost jejích částic. Viskozita kapalin vysvětluje odpor a ztrátu tlaku, ke které dochází, když se pohybují potrubím, kanály a jinými kanály, a také když se v nich pohybují cizí tělesa.
Isaac Newton se aktivně podílel na studiu vlastností vnitřního tření kapaliny, čímž položil základy doktríny viskozity. Newton navrhl (později potvrzeno experimentem), že odporové síly vznikající při takovém klouzání vrstev jsou úměrné ploše kontaktu vrstev a rychlosti klouzání. V důsledku toho získal I. Newton závislost charakterizující vztah mezi viskozitou a jevem vnitřního tření, která byla nazývána stejnojmenným zákonem.
Nechte kapalinu proudit podél ploché stěny v rovnoběžných vrstvách. Každá vrstva se bude pohybovat svou vlastní rychlostí a rychlost vrstev se bude zvyšovat, když se budou vzdalovat od stěny.
Uvažujme dvě vrstvy kapaliny pohybující se ve vzdálenosti Δy od sebe. Protože mezi vrstvami existuje třecí síla a v důsledku vzájemného brzdění, různé vrstvy mají různé rychlosti a vrstva A se pohybuje rychlostí v a vrstva B se pohybuje rychlostí (v+Δv). Hodnota Δv je absolutní posun vrstvy A na vrstvě B a hodnota Δv/Δy je relativní posun nebo gradient rychlosti. Pak při pohybu vzniká tečné napětí τ (tau), které charakterizuje tření na jednotku plochy (vnitřní třecí napětí).
Vnitřní třecí napětí má fyzikální význam v závislosti na:
Kde F tr- vnitřní třecí síla, N; S- kontaktní plocha ploch, m2.
Pak podle Newtonova zákona bude vztah mezi stresem a relativním posunem:
těch. vnitřní třecí napětí úměrné gradientu rychlosti.
Faktor proporcionality µ (mu) se nazývá dynamický viskozitní koeficient. Ze vzorce je zřejmé, že dynamický koeficient viskozity je číselně roven vnitřnímu třecímu napětí v případě, kdy relativní rychlost dvou rovin A a B, vzdálených od sebe ve vzdálenosti 1 m, je rovna 1 m. /s
Rozměr dynamického viskozitního koeficientu vyplývá ze vzorce. Od napětí τ je síla na jednotku plochy, pak se její rozměr rovná:
Rozměr rychlostního gradientu:
Proto rozměr dynamického viskozitního koeficientu:
Jednotkou měření dynamické viskozity v soustavě jednotek SI je tedy:
V fyzický systém Jednotkou dynamické viskozity je rovnováha, označovaná jako „ P»:
Dynamická viskozita kapiček kapalin, jejichž molekuly jsou umístěny velmi blízko u sebe, klesá s rostoucí teplotou v důsledku zvýšení rychlosti Brownova pohybu, což oslabuje přídržné vazby, tedy adhezní sílu.
Závislost koeficientu μ o teplotě se obecně vyjadřuje vzorcem:
kde je hodnota t= 0 °C; A A b- experimentální koeficienty v závislosti na fyzikálně-chemických vlastnostech (typu) kapaliny; t- teplota kapaliny ve °C.
V plynech se přitažlivé síly mezi molekulami projevují pouze při silném stlačení a v normální podmínky molekuly plynu jsou ve stavu chaotického tepelného pohybu a ke tření vrstev plynu o sebe dochází pouze v důsledku srážky molekul. S rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost molekul, zvyšuje se počet jejich srážek a zvyšuje se viskozita.
Pro sladkou vodu získal Poiseuille vzorec:
Pro vzduch je znám Millikanův vzorec:
V hydraulice se pro charakterizaci viskózních vlastností plynů a par někdy místo dynamického používá jiný viskozitní koeficient, označovaný písm. η (eta) a vztaženo k dynamickému koeficientu rovnicí
kde g je tíhové zrychlení, m/s 2 .
Je zřejmé, že tento koeficient viskozity η má rozměr:
V tomto případě jednotka měření η v technické soustavě jednotek je
V hydraulice a výrobě, tzv kinematický viskozitní koeficient ν(nu), definovaný jako poměr dynamické viskozity k hustotě:
Rozměr kinematického viskozitního koeficientu:
V soustavě SI je jednotka přijatá pro ν .
Jednotka měření koeficientu ν ve fyzickém systému slouží jako Stokes, označovaný jako „ Svatý»:
Například kinematický koeficient viskozity vody je roven
Převrácená hodnota dynamické viskozity se nazývá tekutost.
Viskozita pro všechny kapkové kapaliny klesá s rostoucí teplotou. Pro získání přesných hydraulických výpočtů se doporučuje mít graf (nebo tabulku) závislosti viskozity na teplotě na základě speciálních stanovení v laboratoři. Při manipulaci byste měli být velmi opatrní různé druhy nomogramy a vzorce používané ke stanovení viskozity směsi dvou nebo více různých ropných produktů.
Nazývá se graf charakterizující závislost změn viskozity kapaliny na teplotě viskogram(obr. 1.3).
Obr.1.3. Viskogram
Stanovení viskozity kapaliny při libovolné teplotě T Reynolds-Filonovův vzorec se používá s dostatečnou přesností:
Kde ν - viskozita při známé teplotě T , u- koeficient strmosti viskogramu, který charakterizuje úhel sklonu tečny viskogramu k ose úsečky (obr. 1.4) a je určen vzorcem:
Obr. 1.4 Stanovení koeficientu sklonu viskogramu
Je tedy možné charakterizovat jakoukoli kapalinu a určit její viskozitu při jakékoli teplotě, přičemž známe souřadnice dvou libovolných bodů na viskogramu. Za zmínku stojí, že pro kapkové kapaliny je koeficient viskogramu kladný, existují však kapaliny, jejichž viskozita se se změnami teploty mění jen málo, pro plynné kapaliny je koeficient viskogramu záporný. Existují kapaliny, jejichž viskozita málo závisí na teplotě, jsou složité chemické sloučeniny a používají se jako pracovníci v hydraulických strojích, jako jsou viskózní spojky.
Existují kapaliny, pro které neplatí I. Newtonův zákon. Na rozdíl od běžných newtonovských tekutin se tyto tekutiny nazývají nenewtonské nebo abnormální.
Hodnoty kinematické viskozity ν vody a vzduchu
Viskozita různých typů kapalin stejného jména, například oleje, v závislosti na chemické složení a molekulární struktura může mít různé významy.
U viskózních olejů průměrné hodnoty u= 0,05 + 0,1 na 1 °C.
Viskozita kapalin, jak ukazují experimenty, závisí také na tlaku. S rostoucím tlakem se obvykle zvyšuje. Výjimkou je voda, u které při teplotách do 32 °C viskozita s rostoucím tlakem klesá. Při tlacích vyskytujících se v praxi (do 20 MPa) je změna viskozity kapalin velmi malá a v konvenčních hydraulických výpočtech se nebere v úvahu.
VISKOZITA, vlastnost kapaliny (nebo plynu) odolávat proudění.
Viskozita je také považována za jeden z přenosových jevů, který určuje disipaci energie při deformaci média. Viskozita pevných látek má řadu znaků a obvykle se posuzuje samostatně (viz Vnitřní tření).
Při laminárním pohybu kapaliny mezi dvěma planparalelními deskami, z nichž jedna je stacionární a druhá se pohybuje rychlostí ν, zůstává molekulární vrstva bezprostředně sousedící se spodní deskou nehybná a vrstva sousedící s horní deskou se bude pohybovat maximálně rychlost (obr.) . Proudění kapaliny je charakterizováno gradientem rychlosti γ? = dv/dz, udávajícím rychlost změny rychlosti z vrstvy na vrstvu ve směru kolmém na pohyb kapaliny. Pokud se rychlost mění lineárně, pak γ?= v/d, kde d je vzdálenost mezi deskami. Veličina γ se také nazývá smyková rychlost.
Podle základního zákona viskózního proudění stanoveného I. Newtonem (publikováno v roce 1687) je smykové napětí τ = F/S způsobující proudění tekutiny úměrné gradientu rychlosti proudění: τ = ηγ?. Koeficient úměrnosti η se nazývá koeficient dynamické viskozity nebo jednoduše viskozita. Charakterizuje odpor tekutiny vůči proudění. Viskozita může být také chápána jako míra energie rozptýlené ve formě tepla při proudění tekutiny. K disipaci energie dochází v důsledku přenosu hybnosti. Hodnoty viskozitního koeficientu a výkonu W rozptýleného na jednotku objemu v důsledku viskozity souvisí vztahem: W = ηγ? 2.
Newtonův vztah platí pouze v případě, kdy η nezávisí na smykové rychlosti. Média, ve kterých je tato podmínka splněna, se nazývají newtonská (viz newtonská tekutina).
Jednotkou SI dynamické viskozity je Pa s [v CGS je to poise (dyn s/cm2): 1 poise = 0,1 Pa s]. Hodnota φ= 1/η, převrácená hodnota viskozity, se nazývá tekutost. Často se také uvažuje o kinematické viskozitě ν = η/ρ (kde ρ je hustota látky), měřená v m 2 / s (SI) a Stokes (GHS). Viskozita kapalin a plynů se měří pomocí viskozimetrů (viz Viskozimetrie).
Viskozita ideálních plynů je určena vztahem: η = (1/3)mn??, kde m je hmotnost molekuly, n je počet molekul na jednotku objemu, ? - průměrná rychlost molekul, ? je volná dráha molekuly.
Viskozita plynů se při zahřívání zvyšuje, zatímco viskozita kapalin naopak klesá. To je způsobeno různými molekulárními mechanismy viskozity v těchto systémech. Existují dva mechanismy přenosu hybnosti: kinetický (nezahrnující srážky mezi molekulami) a srážkový. První je převládající ve zředěném plynu, druhý - v hustém plynu a kapalině.
V plynech jsou vzdálenosti mezi molekulami výrazně větší než poloměr působení molekulárních sil, proto je viskozita plynů důsledkem chaotického (tepelného) pohybu molekul, v důsledku čehož se molekuly pohybují z vrstvy na vrstvu a zpomalují dolů po proudu. Vzhledem k tomu, že průměrná rychlost molekul? roste s rostoucí teplotou, viskozita plynů se při zahřívání zvyšuje.
Viskozita kapalin, kde je vzdálenost mezi molekulami mnohem menší než u plynů, je způsobena především mezimolekulárními interakcemi, které omezují pohyblivost molekul. Se zvyšující se teplotou se usnadňuje vzájemný pohyb molekul, slábnou mezimolekulární interakce a následně klesá vnitřní tření kapaliny.
Viskozita kapaliny je dána velikostí a tvarem molekul, jejich relativní pozice a síla mezimolekulárních interakcí. Viskozita závisí na chemické struktuře molekul kapaliny. Ano, viskozita organická hmota se zvyšuje se zavedením polárních skupin a kruhů do molekuly. V homologní řadě (nasycené uhlovodíky, alkoholy, organické kyseliny atd.) viskozita sloučenin roste s rostoucí molekulovou hmotností.
Viskozita roztoků závisí na jejich koncentraci a může být vyšší nebo nižší než viskozita čistého rozpouštědla. Viskozita extrémně zředěných suspenzí závisí lineárně na objemovém zlomku φ suspendovaných částic: η = η 0 (1 + αφ) (Einsteinův vzorec), kde η 0 je viskozita disperzního prostředí. Koeficient α závisí na tvaru částic; zejména pro kulové částice α = 2,5. Podobná závislost viskozity na objemovém podílu je pozorována v roztocích globulárních proteinů.
Viskozita se může měnit v širokých mezích. Níže jsou uvedeny hodnoty viskozity některých kapalin a plynů při teplotě 20°C (v 10 -3 Pa s): plyny - vodík 0,0088, dusík 0,0175, kyslík 0,0202; kapaliny - voda 1,002, ethanol 1,200, rtuť 1,554, nitrobenzen 2,030, glycerol 1,485.
Kapalné helium má nejnižší viskozitu. Při teplotě 2,172 K přechází do supratekutého stavu, ve kterém je viskozita nulová (viz Supratekutost). Viskozita plynů je stokrát nižší než viskozita běžných kapalin. Viskozita roztavených kovů se řádově blíží viskozitě běžných kapalin.
Polymerní roztoky a taveniny mají vysokou viskozitu. Viskozita i zředěných polymerních roztoků je výrazně vyšší než viskozita nízkomolekulárních sloučenin. To je způsobeno skutečností, že velikosti polymerních makromolekul jsou tak velké, že různé úseky téže makromolekuly končí ve vrstvách pohybujících se různou rychlostí, což způsobuje další odpor proudění. Viskozita koncentrovanějších roztoků polymerů se ještě zvyšuje v důsledku vzájemného propletení makromolekul. Jedna z metod pro odhad molekulové hmotnosti polymerů je založena na měření viskozity roztoků.
Přítomnost prostorových struktur tvořených adhezí makromolekul v polymerních roztocích vede ke vzniku tzv. strukturní viskozity, která (na rozdíl od viskozity newtonských kapalin) závisí na smykovém napětí (resp. rychlosti) (viz Reologie). Když proudí strukturovaná tekutina, pracujte vnější síly se vynakládá nejen na překonání vnitřního tření, ale také na zničení struktury.
Lit.: Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M. Kurs obecná fyzika. Mechanika a Molekulární fyzika. 2. vyd. M., 1969; Filippova O. E., Khokhlov A. R. Viskozita zředěných polymerních roztoků. M., 2002; Schramm G. Základy praktické reologie a reometrie. M., 2003.
Ve stavu rovnováhy různé fáze látky jsou vůči sobě v klidu. S jejich relativním pohybem se objevují brzdné síly (viskozita), které mají tendenci snižovat relativní rychlost. Mechanismus viskozity lze redukovat na výměnu hybnosti uspořádaného pohybu molekul mezi různými vrstvami v plynech a kapalinách. Vznik viskózních třecích sil v plynech a kapalinách se označuje jako přenosové procesy. Viskozita pevných látek má řadu významných vlastností a je posuzována samostatně.
DEFINICE
Kinematická viskozita je definován jako poměr dynamické viskozity () k hustotě látky. Obvykle se označuje písmenem (nu). Potom zapíšeme matematickou definici kinematického viskozitního koeficientu jako:
kde je hustota plynu (kapaliny).
Protože ve výrazu (1) je ve jmenovateli hustota látky, pak např. zředěný vzduch o tlaku 7,6 mm Hg. Umění. a teplota 0 o C má dvojnásobnou kinematickou viskozitu než glycerin.
Kinematická viskozita vzduchu při normální podmínky je často považován za rovný, proto se při pohybu v atmosféře používá Stokesův zákon, když součin poloměru tělesa (cm) a jeho rychlosti () nepřesahuje 0,01.
Kinematická viskozita vody za normálních podmínek je často považována za řádově , proto se při pohybu ve vodě použije Stokesův zákon, když součin poloměru tělesa (cm) a jeho rychlosti () nepřekročí 0,001.
Kinematická viskozita a Reynoldsova čísla
Reynoldsova čísla (Re) jsou vyjádřena pomocí kinematické viskozity:
kde jsou lineární rozměry tělesa pohybujícího se ve hmotě a je rychlost pohybu tělesa.
V souladu s výrazem (2) pro těleso pohybující se konstantní rychlostí číslo klesá, pokud se zvyšuje kinematická viskozita. Je-li Re číslo malé, pak ve frontálním odporu převažují síly viskózního tření nad silami setrvačnosti. A naopak, velká čísla Reynolds, které jsou pozorovány při nízkých kinematických viskozitách, ukazují prioritu setrvačných sil před třením.
Reynoldsovo číslo je malé při dané hodnotě kinematické viskozity, kdy je velikost tělesa a rychlost jeho pohybu malá.
Jednotky měření kinematického viskozitního koeficientu
Základní jednotka SI pro kinematickou viskozitu je:
Příklady řešení problémů
PŘÍKLAD 1
| Cvičení | Kovová kulička (její hustota je rovna ) je rovnoměrně snížena v kapalině (hustota kapaliny je rovna kinematické viskozitě). Při jakém maximálním možném průměru koule zůstane proudění kolem ní laminární? Uvažujme, že přechod k turbulentnímu proudění nastává při Re=0,5. Jako charakteristickou velikost vezměte průměr koule. |
| Řešení | Udělejme nákres Pomocí druhého Newtonova zákona získáme výraz: kde je Archimédova síla a je síla viskózního tření. V projekci na osu Y bude mít rovnice (1.1) tvar: V tomto případě máme: kde:
Dosazením výsledků (1.3)-(1.5) do (1.2) máme: Reynoldsovo číslo je v našem případě definováno jako:
|
v průmyslu, vědecká činnostČasto je nutné vypočítat koeficient viskozity kapaliny. Práce s konvenčními nebo disperzními médii ve formě aerosolů a plynových emulzí vyžaduje znalost fyzikálních vlastností těchto látek.
Jaká je viskozita kapaliny?
Newton také položil základy vědy o reologii. Tato větev studuje odpor látky při pohybu, tj. viskozitu.
V kapalinách a plynech molekuly interagují nepřetržitě. Narazí do sebe, jsou odstrčeni nebo prostě proletí. V důsledku toho se zdá, že vrstvy hmoty na sebe vzájemně působí a udělují každé z nich rychlost. Jev takové interakce mezi molekulami kapalin/plynů se nazývá viskozita neboli vnitřní tření.
Pro lepší prozkoumání tohoto procesu je nutné předvést pokus se dvěma deskami, mezi kterými je kapalné médium. Pokud pohnete horní deskou, vrstva kapaliny na ní „přilepená“ se také začne pohybovat určitou rychlostí v1. Po krátké době si všimneme, že i spodní vrstvy kapaliny se začnou pohybovat po stejné trajektorii rychlostí v2, v3...vn atd., s v1>v2, v3...vn. Rychlost nejnižšího z nich zůstává nulová.
S použitím plynu jako příkladu je téměř nemožné provést takový experiment, protože síly vzájemného působení molekul jsou velmi malé a nebude možné to vizuálně zaregistrovat. Zde také hovoříme o vrstvách, o rychlosti pohybu těchto vrstev, proto viskozita existuje i v plynných médiích.
Newtonská a nenewtonská média
Newtonská kapalina je kapalina, jejíž viskozitu lze vypočítat pomocí Newtonova vzorce.
Mezi taková média patří voda a roztoky. Viskozitní koeficient kapaliny v takových médiích může záviset na faktorech, jako je teplota, tlak nebo atomová struktura látky, ale gradient rychlosti zůstane vždy nezměněn.
Nenewtonské kapaliny jsou média, ve kterých se výše uvedená hodnota může měnit, což znamená, že zde nebude platit Newtonův vzorec. Mezi takové látky patří všechna dispergovaná média (emulze, aerosoly, suspenze). Patří sem i krev. O tom si povíme podrobněji později.
Krev jako vnitřní prostředí těla
Jak víte, 80% krve je plazma, která má tekutý agregovaný stav, a zbývajících 20% jsou erytrocyty, krevní destičky, leukocyty a různé inkluze. Lidské červené krvinky mají průměr 8 nm. Když jsou stacionární, tvoří agregáty ve formě sloupců mincí, přičemž výrazně zvyšují viskozitu kapaliny. Pokud je průtok krve aktivní, tyto „struktury“ se rozpadají a vnitřní tření se odpovídajícím způsobem snižuje.
Střední viskozitní koeficienty
Vzájemná interakce vrstev média ovlivňuje vlastnosti celého kapalného nebo plynného systému. Viskozita je jedním příkladem fyzikálního jevu zvaného tření. Díky ní se horní a spodní vrstva média postupně vyrovnávají rychlosti svého proudu a v konečném důsledku se rovná nule. Viskozitu lze také charakterizovat jako odpor jedné vrstvy média vůči druhé.
Pro popis takových jevů se rozlišují dvě kvalitativní charakteristiky vnitřního tření:
- dynamický viskozitní koeficient (dynamická viskozita kapaliny);
- kinetický koeficient viskozity (kinetická viskozita).
Obě veličiny spolu souvisí rovnicí υ = η / ρ, kde ρ je hustota média, υ je kinetická viskozita a η je dynamická viskozita.
Metody stanovení viskozity kapaliny
Viskozimetrie je měření viskozity. Na moderní jeviště Ve vývoji vědy lze hodnotu viskozity kapaliny prakticky zjistit čtyřmi způsoby:
1. Kapilární metoda. Chcete-li to provést, musíte mít dvě nádoby spojené skleněným kanálem malého průměru známá délka. Musíte také znát hodnoty tlaku v jedné nádobě a ve druhé. Kapalina se umístí do skleněného kanálku a po určitou dobu proudí z jedné baňky do druhé.
Další výpočty se provádějí pomocí Poiseuilleova vzorce pro zjištění hodnoty koeficientu viskozity kapaliny.
V praxi mohou být kapalnými médii směsi zahřáté na 200-300 stupňů. Běžná skleněná trubice by se za takových podmínek jednoduše zdeformovala nebo dokonce praskla, což je nepřijatelné. Moderní kapilární viskozimetry jsou vyrobeny z vysoce kvalitního a odolného materiálu, který bez problémů odolá takové zátěži.
2. Lékařská metoda podle Hesse. Pro výpočet viskozity kapaliny tímto způsobem je nutné mít ne jednu, ale dvě identické kapilární instalace. V jednom z nich je předem umístěno médium známá hodnota vnitřní tření a ve druhé - zkušební kapalina. Dále se změří dvě časové hodnoty a vytvoří se poměr, kterým dosáhnou požadovaného čísla.
3. Rotační metoda. K jeho provedení je potřeba mít konstrukci dvou koaxiálních válců. To znamená, že jeden z nich musí být uvnitř druhého. Do prostoru mezi nimi se nalije kapalina a poté se vnitřní válec urychlí. Tato úhlová rychlost je také udělována tekutině. Rozdíl točivého momentu umožňuje vypočítat viskozitu média.
4. Stanovení viskozity kapaliny Stokesovou metodou. K provedení tohoto experimentu musíte mít Hepplerův viskozimetr, což je válec naplněný kapalinou. Před zahájením experimentu udělejte na válci dvě značky a změřte délku mezi nimi. Potom vezmou kouli o určitém poloměru R a spustí ji do kapalného média. Chcete-li určit rychlost jeho pádu, zjistěte dobu, za kterou se objekt přesune z jedné značky na druhou. Znáte-li rychlost koule, můžete vypočítat viskozitu kapaliny.
Praktická aplikace viskozimetrů
Stanovení viskozity kapaliny má velký praktický význam v průmyslu rafinace ropy. Při práci s vícefázovými, rozptýlenými médii je důležité je znát fyzikální vlastnosti zejména vnitřní tření. Moderní viskozimetry jsou vyrobeny z odolných materiálů a při jejich výrobě se používají pokročilé technologie. To vše dohromady vám umožňuje pracovat vysoká teplota a tlak bez poškození samotného zařízení.
Viskozita kapalin hraje v průmyslu velkou roli, protože přeprava, zpracování a výroba například oleje závisí na hodnotách vnitřního tření kapalné směsi.
Jakou roli hraje viskozita v lékařském vybavení?
Průtok plynné směsi endotracheální rourou závisí na vnitřním tření tohoto plynu. Změna viskozity média zde má různý vliv na pronikání vzduchu aparaturou a závisí na složení plynné směsi.
Úvod léky jsou také vakcíny prostřednictvím injekční stříkačky zářným příklademúčinky střední viskozity. Hovoříme o poklesu tlaku na konci jehly při vstřikování kapaliny, i když se zpočátku věřilo, že tento fyzikální jev lze zanedbat. Vznik vysoký tlak na špičce - to je výsledek vnitřního tření.
Závěr
Viskozita média je jedna z fyzikální veličiny, který má skvělé praktické využití. V laboratoři, průmyslu, medicíně – ve všech těchto oblastech se pojem vnitřní tření objevuje velmi často. Provoz nejjednoduššího laboratorního zařízení může záviset na stupni viskozity média použitého pro výzkum. Ani zpracovatelský průmysl se neobejde bez znalostí v oblasti fyziky.
