Wybór oleju silnikowego to poważne zadanie dla każdego miłośnika motoryzacji. Głównym parametrem, według którego należy dokonać wyboru, jest lepkość oleju. Lepkość oleju charakteryzuje stopień gęstości płynu silnikowego i jego zdolność do utrzymania swoich właściwości przy zmianach temperatury.
Spróbujmy dowiedzieć się, w jakich jednostkach należy mierzyć lepkość, jakie funkcje pełni i dlaczego odgrywa ogromną rolę w pracy całego układu silnika.
Działanie silnika spalinowego wiąże się z ciągłą interakcją jego elementów konstrukcyjnych. Wyobraźmy sobie przez chwilę, że silnik pracuje na sucho. Co się z nim stanie? Po pierwsze, siła tarcia spowoduje wzrost temperatury wewnątrz urządzenia. Po drugie, nastąpi deformacja i zużycie części. I wreszcie wszystko to doprowadzi do całkowitego zatrzymania silnika spalinowego i niemożności jego dalszego użytkowania. Odpowiednio dobrany olej silnikowy spełnia następujące funkcje:
- chroni silnik przed przegrzaniem,
- zapobiega szybkiemu zużyciu mechanizmów,
- zapobiega powstawaniu korozji,
- usuwa sadzę, sadzę i produkty spalania paliwa poza układem silnika,
- pomaga zwiększyć zasoby jednostki napędowej.
Zatem normalne funkcjonowanie działu motorycznego bez płynu smarującego jest niemożliwe.
Ważny! Wlać do silnika pojazd Potrzebujesz tylko oleju, którego lepkość spełnia wymagania producentów samochodów. W takim przypadku wydajność będzie maksymalna, a zużycie jednostek roboczych będzie minimalne. Nie należy ufać opiniom konsultantów sprzedaży, znajomych i specjalistów serwisu samochodowego, jeśli różnią się one od instrukcji samochodu. W końcu tylko producent może wiedzieć na pewno, czym napełnić silnik.
Wskaźnik lepkości oleju
Pojęcie lepkości oleju implikuje zdolność cieczy do bycia lepkim. Określa się go za pomocą wskaźnika lepkości. Wskaźnik lepkości oleju to wartość, która pokazuje stopień lepkości płynu olejowego podczas zmian temperatury. Smary o wysokim stopniu lepkości mają następujące właściwości:
- Gdy silnik jest uruchamiany na zimno, folia ochronna ma dużą płynność, co zapewnia szybkie i równomierny rozkład smary na całej powierzchni roboczej;
- podgrzanie silnika powoduje wzrost lepkości filmu. Ta właściwość pozwala zachować warstwę ochronną na powierzchniach ruchomych części.
Te. oleje o wysokim wskaźniku lepkości łatwo przystosowują się do przeciążeń temperaturowych, natomiast niski wskaźnik lepkości oleju silnikowego wskazuje na mniejszą zdolność. Substancje takie mają bardziej płynny stan i tworzą cienką warstwę ochronną na częściach. W warunkach ujemnych temperatur płyn silnikowy o niskim wskaźniku lepkości utrudni uruchomienie jednostki napędowej, a przy wysokich temperaturach nie będzie w stanie zapobiec dużym siłom tarcia.
Wskaźnik lepkości oblicza się zgodnie z GOST 25371-82. Możesz to obliczyć, korzystając z usług online w Internecie.
Lepkość kinematyczna i dynamiczna
Stopień plastyczności materiału silnikowego określają dwa wskaźniki - lepkość kinematyczna i dynamiczna.
Olej silnikowy
Lepkość kinematyczna oleju jest wskaźnikiem odzwierciedlającym jego płynność w temperaturze normalnej (+40 stopni Celsjusza) i wysokiej (+100 stopni Celsjusza). Metoda pomiaru tej wartości opiera się na zastosowaniu wiskozymetru kapilarnego. Urządzenie mierzy czas potrzebny na wypłynięcie płynu olejowego w danej temperaturze. Lepkość kinematyczna jest mierzona w mm2/s.
Lepkość dynamiczną oleju oblicza się również empirycznie. Pokazuje siłę oporu cieczy olejowej powstającą podczas ruchu dwóch warstw oleju oddalonych od siebie o 1 centymetr i poruszających się z prędkością 1 cm/s. Jednostką miary tej wielkości są sekundy w paskalach.
Oznaczanie lepkości oleju musi odbywać się w różnych warunkach temperaturowych, ponieważ ciecz jest niestabilna i zmienia swoje właściwości w niskich i wysokich temperaturach.
Poniżej przedstawiono tabelę lepkości oleju silnikowego w zależności od temperatury.
Objaśnienie oznaczenia oleju silnikowego
Jak wspomniano wcześniej, lepkość jest głównym parametrem płynu ochronnego, charakteryzującym jego zdolność do zapewnienia osiągów pojazdu w różnych warunkach warunki klimatyczne.
Według międzynarodowego systemu klasyfikacji SAE smary silnikowe mogą być trzech rodzajów: zimowe, letnie i całoroczne.
Olej przeznaczony do użytku zimowego oznaczony jest cyfrą i literą W, np. 5W, 10W, 15W. Pierwszy symbol oznaczenia wskazuje zakres ujemnych temperatur pracy. Litera W – od Angielskie słowo„Zima” - zima - informuje kupującego o możliwości stosowania smaru w trudnych warunkach niskotemperaturowych. Ma większą płynność niż jego letni odpowiednik, co zapewnia łatwy rozruch w niskich temperaturach. Płynny film błyskawicznie otula zimne elementy i ułatwia ich przewijanie.
Limit ujemnych temperatur, w których olej zachowuje sprawność, wynosi: dla 0W - (-40) stopni Celsjusza, dla 5W - (-35) stopni, dla 10W - (-25) stopni, dla 15W - (-35) stopnie.
Płyn letni charakteryzuje się dużą lepkością, dzięki czemu folia mocniej „przykleja się” do elementów roboczych. W zbyt wysokich temperaturach olej ten rozprowadza się równomiernie po powierzchni roboczej części i chroni je przed silnym zużyciem. Olej ten jest oznaczony liczbami, na przykład 20,30,40 itd. Liczba ta charakteryzuje granicę wysokiej temperatury, w której ciecz zachowuje swoje właściwości.
Ważny! Co oznaczają liczby? Liczby parametru letniego w żaden sposób nie oznaczają maksymalna temperatura, przy którym pojazd może pracować. Są one warunkowe i nie mają nic wspólnego ze skalą stopni.
Olej o lepkości 30 działa normalnie w temperaturach środowisko do +30 stopni Celsjusza, 40 – do +45 stopni, 50 – do +50 stopni.
Olej uniwersalny łatwo rozpoznać: jego oznaczenie zawiera dwie cyfry i literę W między nimi, na przykład 5w30. Jego użycie wiąże się z dowolnymi warunkami klimatycznymi, czy to surowymi zimami, czy gorącymi latami. W obu przypadkach olej dostosuje się do zmian i utrzyma funkcjonalność całego układu silnika.
Nawiasem mówiąc, zakres klimatyczny oleju uniwersalnego określa się po prostu. Na przykład dla 5W30 waha się od minus 35 do +30 stopni Celsjusza.
Oleje całoroczne są wygodne w użyciu, dlatego częściej można je znaleźć na półkach salonów samochodowych niż opcje letnie i zimowe.
Aby lepiej zorientować się, jaka lepkość oleju silnikowego jest odpowiednia w Twoim regionie, poniżej znajduje się tabela przedstawiająca zakres temperatur roboczych dla każdego rodzaju smaru.
Średnie zakresy wydajności oleju
Po ustaleniu, co oznaczają liczby określające lepkość oleju, przejdźmy do następnego standardu. Klasyfikacja oleju silnikowego według lepkości wpływa również na normę API. W zależności od rodzaju silnika oznaczenie API zaczyna się od litery S lub C. S oznacza silniki benzynowe, C oznacza silniki Diesla. Druga litera klasyfikacji wskazuje klasę jakości oleju silnikowego. Im dalej ta litera jest od początku alfabetu, tym lepsza jakość płyn ochronny.
W przypadku układów silników benzynowych istnieją następujące oznaczenia:
- SC – rok produkcji przed 1964
- SD – rok produkcji od 1964 do 1968.
- SE – rok produkcji od 1969 do 1972.
- SF – rok produkcji od 1973 do 1988.
- SG – rok produkcji od 1989 do 1994.
- SH – rok produkcji od 1995 do 1996.
- SJ – rok produkcji od 1997 do 2000.
- SL – rok produkcji od 2001 do 2003.
- SM – rok produkcji po 2004
- SN – samochody wyposażone nowoczesny system neutralizacja gazów spalinowych.
Dla oleju napędowego:
- CB – rok produkcji przed 1961
- CC – rok produkcji przed 1983
- CD – rok wydania przed 1990 rokiem
- CE – rok produkcji przed 1990 (silnik z turbodoładowaniem).
- CF – rok produkcji od 1990, (silnik z turbodoładowaniem).
- CG-4 – rok produkcji od 1994, (silnik z turbodoładowaniem).
- CH-4 – rok produkcji: 1998
- CI-4 – nowoczesne samochody (silnik z turbodoładowaniem).
- CI-4 plus to znacznie wyższa klasa.
To, co jest dobre dla jednego silnika, grozi naprawą dla innego.
Olej silnikowy
Wielu właścicieli samochodów jest przekonanych, że warto wybierać oleje o większej lepkości, gdyż to one są kluczem do długotrwałej pracy silnika. Jest to poważne błędne przekonanie. Tak, eksperci wlewają olej o wysokim stopniu lepkości pod maski samochodów wyścigowych, aby osiągnąć maksymalne zasoby jednostki napędowej. Ale zwykłe samochody osobowe są wyposażone w inny system, który po prostu się udławi, jeśli folia ochronna będzie zbyt gruba.
Jaka lepkość oleju jest dopuszczalna w silniku konkretnej maszyny, jest opisana w dowolnej instrukcji obsługi.
Przecież przed rozpoczęciem masowej sprzedaży modeli producenci samochodów przeprowadzili dużą liczbę testów, biorąc pod uwagę możliwe tryby jazdy i działanie środki techniczne w różnych warunkach klimatycznych. Analizując zachowanie silnika i jego zdolność do utrzymania stabilnej pracy w określonych warunkach, inżynierowie ustalili akceptowalne parametry smarowania silnika. Odchylenie od nich może spowodować spadek mocy układu napędowego, jego przegrzanie, wzrost zużycia paliwa i wiele więcej.
Olej silnikowy w silniku
Dlaczego stopień lepkości jest tak ważny w działaniu mechanizmów? Wyobraźmy sobie przez chwilę wnętrze silnika: pomiędzy cylindrami a tłokiem znajduje się szczelina, której wielkość powinna umożliwiać ewentualne rozszerzanie się części pod wpływem dużych zmian temperatury. Aby jednak uzyskać maksymalną wydajność, szczelina ta musi mieć wartość minimalną, zapobiegając przedostawaniu się gazów spalinowych powstających podczas spalania mieszanki paliwowej do układu silnika. Aby mieć pewność, że korpus tłoka nie nagrzewa się w wyniku kontaktu z cylindrami, stosuje się smar silnikowy.
Poziom lepkości oleju musi zapewniać działanie każdego elementu układu napędowego. Producenci jednostek napędowych muszą osiągnąć optymalny stosunek minimalnej szczeliny między częściami trącymi a filmem olejowym, zapobiegając przedwczesnemu zużyciu elementów i zwiększając żywotność silnika. Zgadzam się, bezpieczniej jest ufać oficjalnym przedstawicielom marki samochodu, wiedząc, w jaki sposób uzyskano tę wiedzę, niż ufać „doświadczonym” kierowcom, którzy polegają na intuicji.
Co się stanie po uruchomieniu silnika?
Jeśli Twój „żelazny przyjaciel” stał przez całą noc na zimnie, następnego ranka lepkość wlanego do niego oleju będzie kilkakrotnie wyższa niż obliczona wartość robocza. W związku z tym grubość folii ochronnej przekroczy szczeliny między elementami. Po uruchomieniu zimnego silnika jego moc spada, a temperatura w jego wnętrzu wzrasta. W ten sposób silnik się nagrzewa.
Ważny! Podczas rozgrzewki nie należy zwiększać obciążenia. Zbyt gęsty smar utrudni ruch głównych mechanizmów i skróci żywotność pojazdu.
Lepkość oleju silnikowego w temperaturach roboczych
Po rozgrzaniu silnika włącza się układ chłodzenia. Jeden cykl silnika wygląda następująco:
- Naciśnięcie pedału gazu zwiększa prędkość obrotową silnika i zwiększa jego obciążenie, w wyniku czego wzrasta siła tarcia części (ponieważ zbyt ściągająca ciecz nie zdążyła jeszcze przedostać się w szczeliny między częściami),
- wzrasta temperatura oleju,
- zmniejsza się stopień jego lepkości (wzrasta płynność),
- zmniejsza się grubość warstwy oleju (przecieka w szczeliny między częściami),
- siła tarcia maleje,
- Temperatura filmu olejowego ulega obniżeniu (częściowo za pomocą układu chłodzenia).
Każdy układ silnika działa na tej zasadzie.
Lepkość olejów silnikowych w temperaturze – 20 stopni
Zależność lepkości oleju od temperatury pracy jest oczywista. Tak jak to jest oczywiste wysoki poziom ochrona silnika nie powinna zmniejszać się przez cały okres eksploatacji. Najmniejsze odchylenie od normy może doprowadzić do zniknięcia filmu silnikowego, co z kolei negatywnie wpłynie na „bezbronną” część.
Każdy silnik spalinowy, choć ma podobną konstrukcję, ma wyjątkowy zestaw właściwości konsumenckie: moc, wydajność, przyjazność dla środowiska i moment obrotowy. Różnice te tłumaczy się różnicą w luzach silnika i temperaturach roboczych.
Aby jak najdokładniej dobrać olej do pojazdu, opracowano międzynarodowe klasyfikacje płynów silnikowych.
Klasyfikacja przewidziana przez normę SAE informuje właścicieli samochodów o średnim zakresie temperatur pracy. Klasyfikacje API, ACEA itp. dają jaśniejsze wyobrażenie o możliwości stosowania płynu smarującego w niektórych pojazdach.
Konsekwencje napełnienia olejem o wysokiej lepkości
Są chwile, kiedy właściciele samochodów nie wiedzą, jak określić wymaganą lepkość oleju silnikowego do swojego samochodu i wypełnić tę zalecaną przez sprzedawców. Co się stanie, jeśli plastyczność będzie wyższa niż wymagana?
Jeśli olej o dużej lepkości „rozpryskuje się” w dobrze rozgrzanym silniku, nie ma zagrożenia dla silnika (przy normalnych prędkościach). W takim przypadku temperatura wewnątrz urządzenia po prostu wzrośnie, co doprowadzi do zmniejszenia lepkości smaru. Te. sytuacja wróci do normy. Ale! Regularne powtarzanie tego schematu znacznie skraca żywotność silnika.
Jeśli nagle „odpuścisz gaz”, powodując wzrost prędkości, stopień lepkości cieczy nie będzie odpowiadał temperaturze. Spowoduje to przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej temperatury w komorze silnika. Przegrzanie powoduje wzrost siły tarcia i zmniejszenie odporności części na zużycie. Swoją drogą sam olejek również w dość krótkim czasie straci swoje właściwości.
Nie będziesz w stanie od razu stwierdzić, że lepkość oleju jest nieodpowiednia dla pojazdu.
Pierwsze „objawy” pojawią się dopiero po 100-150 tysiącach kilometrów. A głównym wskaźnikiem będzie wzrost przerw między częściami. Jednak nawet doświadczeni specjaliści nie będą w stanie zdecydowanie powiązać zwiększonej lepkości z gwałtownym spadkiem żywotności silnika. Z tego powodu oficjalne warsztaty samochodowe często zaniedbują wymagania producentów pojazdów. Ponadto opłaca się im naprawiać zespoły napędowe samochodów, których okres gwarancji już minął. Dlatego wybór stopnia lepkości oleju jest trudnym zadaniem dla każdego miłośnika motoryzacji.
Zbyt niska lepkość: czy jest niebezpieczna?
Olej silnikowy
Niska lepkość może zniszczyć silniki benzynowe i wysokoprężne. Fakt ten tłumaczy się faktem, że przy podwyższonych temperaturach roboczych i obciążeniach silnika zwiększa się płynność otaczającej folii, w wyniku czego już płynna ochrona po prostu „odsłania” części. Efekt: zwiększona siła tarcia, zwiększone zużycie paliwa, deformacja mechanizmów. Niemożliwa jest długotrwała eksploatacja samochodu z zalanym płynem o niskiej lepkości - niemal natychmiast się zablokuje.
Niektóre nowoczesne modele silników wymagają stosowania tzw. „energooszczędnych” olejów o obniżonej lepkości. Można je jednak stosować tylko wtedy, gdy istnieją specjalne atesty producentów samochodów: ACEA A1, B1 i ACEA A5, B5.
Stabilizatory gęstości oleju
Z powodu stałych przeciążeń temperaturowych lepkość oleju stopniowo zaczyna spadać. Specjalne stabilizatory mogą pomóc w jego przywróceniu. Można je stosować w silnikach każdego typu, których zużycie osiągnęło średni lub wysoki poziom.
Stabilizatory umożliwiają:
Stabilizatory
- zwiększyć lepkość filmu ochronnego,
- zmniejszyć ilość sadzy i osadów na cylindrach silnika,
- zmniejszyć emisję substancje szkodliwe do atmosfery
- odbudować ochronną warstwę oleju,
- osiągnąć „ciszę” w pracy silnika,
- zapobiegają procesom utleniania wewnątrz obudowy silnika.
Zastosowanie stabilizatorów pozwala nie tylko wydłużyć okres między wymianami oleju, ale także przywrócić utracone korzystne właściwości warstwę ochronną.
Rodzaje specjalnych smarów stosowanych w produkcji
Smar do maszyn wrzecionowych ma właściwości o niskiej lepkości. Stosowanie takiego zabezpieczenia jest racjonalne w przypadku silników o niewielkim obciążeniu i pracujących przy dużych prędkościach. Najczęściej taki smar stosuje się w produkcji tekstyliów.
Smarowanie turbiny. Jego główną cechą jest ochrona wszystkich działających mechanizmów przed utlenianiem i przedwczesnym zużyciem. Optymalna lepkość oleju turbinowego pozwala na jego zastosowanie w napędach turbosprężarek, turbinach gazowych, parowych i hydraulicznych.
VMGZ lub całoroczny olej zagęszczony hydraulicznie. Płyn ten idealnie nadaje się do sprzętu używanego w rejonach Syberii, Dalekiej Północy i Daleki Wschód. Olej ten przeznaczony jest do silników spalinowych wyposażonych w napędy hydrauliczne. VMGZ nie dzieli się na oleje letnie i zimowe, ponieważ jego zastosowanie oznacza jedynie klimat niskotemperaturowy.
Surowcami do oleju hydraulicznego są komponenty o niskiej lepkości zawierające bazę mineralną. Aby olej osiągnął pożądaną konsystencję, dodaje się do niego specjalne dodatki.
Lepkość oleju hydraulicznego podano w poniższej tabeli.
OilRite to kolejny smar stosowany do konserwacji i leczenia mechanizmów. Posiada wodoodporną bazę grafitową i zachowuje swoje właściwości w zakresie temperatur od minus 20 stopni Celsjusza do plus 70 stopni Celsjusza.
Wnioski
Jasna odpowiedź na pytanie: „jaka jest najlepsza lepkość oleju silnikowego?” nie i nie może być. Rzecz w tym, że wymagany stopień plastyczności dla każdego mechanizmu - czy to krosna tkackiego, czy silnika samochodu wyścigowego - jest inny i nie można go określić „przypadkowo”. Wymagane parametry płynów smarujących producenci obliczają empirycznie, dlatego przy wyborze płynu do swojego pojazdu kierujesz się przede wszystkim instrukcjami dewelopera. Następnie możesz zapoznać się z tabelą lepkości oleju silnikowego według temperatury.
Lepkość- jest to właściwość cieczy polegająca na przeciwstawianiu się siłom ścinającym. Lepkość jest właściwością właściwą zarówno cieczom kropelkowym, jak i gazom, która objawia się tylko podczas ruchu, nie może być wykryta w stanie spoczynku i objawia się w postaci tarcia wewnętrznego, gdy poruszają się sąsiednie cząstki cieczy. Lepkość charakteryzuje stopień płynności cieczy i ruchliwość jej cząstek. Lepkość cieczy wyjaśnia opór i utratę ciśnienia powstającą podczas przemieszczania się przez rury, kanały i inne kanały, a także gdy poruszają się w nich ciała obce.
Izaak Newton był aktywnie zaangażowany w badanie właściwości tarcia wewnętrznego cieczy, kładąc podwaliny pod doktrynę lepkości. Newton zasugerował (potwierdzony później eksperymentalnie), że siły oporu powstające podczas takiego przesuwania się warstw są proporcjonalne do powierzchni styku warstw i prędkości poślizgu. W rezultacie I. Newton otrzymał zależność charakteryzującą związek pomiędzy lepkością a zjawiskiem tarcia wewnętrznego, którą nazwano prawem o tej samej nazwie.
Pozwól cieczy płynąć wzdłuż płaskiej ściany w równoległych warstwach. Każda warstwa będzie poruszać się z własną prędkością, a prędkość warstw będzie wzrastać w miarę oddalania się od ściany.
Rozważmy dwie warstwy cieczy poruszające się w odległości Δy od siebie. Ponieważ między warstwami istnieje siła tarcia i w wyniku wzajemnego hamowania, różne warstwy mają to samo różne prędkości, a warstwa A porusza się z prędkością v, a warstwa B porusza się z prędkością (v+Δv). Wartość Δv to bezwzględne przesunięcie warstwy A nad warstwą B, a wartość Δv/Δy to względne przesunięcie lub gradient prędkości. Następnie podczas ruchu powstaje naprężenie styczne τ (tau), które charakteryzuje tarcie na jednostkę powierzchni (naprężenie tarcia wewnętrznego).
Naprężenie tarcia wewnętrznego ma znaczenie fizyczne w zależności od:
Gdzie F tr- siła tarcia wewnętrznego, N; S- powierzchnia styku powierzchni, m2.
Następnie, zgodnie z prawem Newtona, związek między naprężeniem a przesunięciem względnym będzie wyglądał następująco:
te. wewnętrzne naprężenie tarcia proporcjonalne do gradientu prędkości.
Czynnik proporcjonalności µ (mu) nazywa się współczynnik lepkości dynamicznej. Ze wzoru wynika, że dynamiczny współczynnik lepkości jest liczbowo równy naprężeniu tarcia wewnętrznego w przypadku, gdy prędkość względna dwóch płaszczyzn A i B oddalonych od siebie o 1 m jest równa 1 m /S.
Wymiar współczynnika lepkości dynamicznej wynika ze wzoru. Od napięcia τ jest siłą na jednostkę powierzchni, wówczas jej wymiar jest równy:
Wymiar gradientu prędkości:
Stąd wymiar współczynnika lepkości dynamicznej:
Zatem za jednostkę miary lepkości dynamicznej w układzie jednostek SI przyjmuje się:
W układ fizyczny Jednostką lepkości dynamicznej jest puaz, oznaczony jako „ P»:
Lepkość dynamiczna cieczy kropelkowych, których cząsteczki są położone bardzo blisko siebie, maleje wraz ze wzrostem temperatury na skutek wzrostu prędkości ruchu Browna, co osłabia wiązania trzymające, czyli siłę adhezji.
Zależność współczynnika μ temperaturę zazwyczaj wyraża się wzorem:
gdzie jest wartość T= 0°C; A I B- współczynniki doświadczalne w zależności od właściwości fizykochemicznych (rodzaju) cieczy; T- temperatura cieczy w °C.
W gazach siły przyciągania między cząsteczkami objawiają się tylko przy silnym ściskaniu i w normalne warunki cząsteczki gazu znajdują się w stanie chaotycznego ruchu termicznego, a tarcie warstw gazu o siebie następuje jedynie w wyniku zderzenia cząsteczek. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość cząsteczek, wzrasta liczba ich zderzeń i wzrasta lepkość.
Dla wody słodkiej Poiseuille otrzymał wzór:
Dla powietrza znany jest wzór Millikana:
W hydraulice, aby scharakteryzować właściwości lepkie gazów i par, czasami zamiast dynamicznego stosuje się inny współczynnik lepkości, oznaczony literą η (eta) i powiązane ze współczynnikiem dynamicznym za pomocą równania
gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim, m/s 2 .
Oczywiście ten współczynnik lepkości η ma wymiar:
W tym przypadku jednostka miary η w systemie technicznym jednostek jest
W hydraulice i produkcji tzw współczynnik lepkości kinematycznej ν(nu), zdefiniowany jako stosunek lepkości dynamicznej do gęstości:
Wymiar współczynnika lepkości kinematycznej:
W układzie SI jednostką przyjętą dla ν jest .
Jednostka miary współczynnika ν w układzie fizycznym pełni funkcję Stokesa, oznaczoną przez „ Św»:
Na przykład kinematyczny współczynnik lepkości wody jest równy
Nazywa się odwrotnością lepkości dynamicznej płynność.
Lepkość wszystkich cieczy kropelkowych maleje wraz ze wzrostem temperatury. Aby uzyskać dokładne obliczenia hydrauliczne, zaleca się posiadanie wykresu (lub tabeli) lepkości w funkcji temperatury, opartego na specjalnych oznaczeniach laboratoryjnych. Należy zachować szczególną ostrożność podczas obsługi różne rodzaje nomogramy i wzory stosowane do określania lepkości mieszaniny dwóch lub więcej różnych produktów naftowych.
Nazywa się wykres charakteryzujący zależność zmian lepkości cieczy od temperatury wiskogram(ryc. 1.3).
Ryc.1.3. Wiskogram
Aby określić lepkość cieczy w dowolnej dowolnej temperaturze T wzór Reynoldsa-Filonowa stosuje się z wystarczającą dokładnością:
Gdzie ν - lepkość w znanej temperaturze T , ty- współczynnik nachylenia wiskogramu, który charakteryzuje kąt nachylenia stycznej wiskogramu do osi odciętej (ryc. 1.4) i jest określony wzorem:
Rys. 1.4 Wyznaczanie współczynnika nachylenia wiskogramu
W ten sposób można scharakteryzować dowolną ciecz i określić jej lepkość w dowolnej temperaturze, znając współrzędne dwóch dowolnych punktów na wiskogramie. Warto zauważyć, że dla cieczy kropelkowych współczynnik wiskogramu jest dodatni, jednak istnieją ciecze, których lepkość zmienia się nieznacznie wraz ze zmianami temperatury; dla cieczy gazowych współczynnik wiskogramu jest ujemny. Istnieją ciecze, których lepkość w niewielkim stopniu zależy od temperatury; są one złożone związki chemiczne i są wykorzystywani jako pracownicy maszyn hydraulicznych, takich jak sprzęgła wiskotyczne.
Istnieją ciecze, dla których prawo I. Newtona nie ma zastosowania. W przeciwieństwie do zwykłych płynów Newtona, płyny te nazywane są nienewtonowskie lub nienormalne.
Wartości lepkości kinematycznej ν wody i powietrza
Lepkość różnych rodzajów cieczy o tej samej nazwie, na przykład oleju, w zależności od skład chemiczny i struktura molekularna mogą mieć różne znaczenia.
Dla lepkich olejów wartości średnie ty= 0,05 + 0,1 na 1°C.
Lepkość cieczy, jak pokazują eksperymenty, zależy również od ciśnienia. Wraz ze wzrostem ciśnienia zwykle wzrasta. Wyjątkiem jest woda, dla której w temperaturach do 32°C lepkość maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Przy ciśnieniach spotykanych w praktyce (do 20 MPa) zmiana lepkości cieczy jest bardzo mała i nie jest uwzględniana w konwencjonalnych obliczeniach hydraulicznych.
LEPKOŚĆ, właściwość cieczy (lub gazu) polegająca na przeciwstawianiu się przepływowi.
Lepkość jest również uważana za jedno ze zjawisk przenoszenia, które determinuje rozpraszanie energii podczas odkształcania ośrodka. Lepkość ciał stałych ma wiele cech i zwykle jest rozpatrywana osobno (patrz Tarcie wewnętrzne).
Podczas laminarnego ruchu cieczy pomiędzy dwiema płasko-równoległymi płytami, z których jedna jest nieruchoma, a druga porusza się z prędkością ν, warstwa molekularna bezpośrednio przylegająca do dolnej płytki pozostaje nieruchoma, a warstwa przylegająca do górnej płyty będzie się poruszać z maksymalną prędkością prędkość (rys.) . Przepływ cieczy charakteryzuje się gradientem prędkości γγ = dv/dz, wskazującym szybkość zmiany prędkości z warstwy na warstwę w kierunku prostopadłym do ruchu cieczy. Jeżeli prędkość zmienia się liniowo, to γγ= v/d, gdzie d jest odległością pomiędzy płytami. Wielkość γ nazywana jest także szybkością ścinania.
Zgodnie z podstawowym prawem przepływu lepkiego ustalonym przez I. Newtona (opublikowanym w 1687 r.) naprężenie ścinające τ = F/S powodujące przepływ płynu jest proporcjonalne do gradientu prędkości przepływu: τ = ηγ?. Współczynnik proporcjonalności η nazywany jest współczynnikiem lepkości dynamicznej lub po prostu lepkością. Charakteryzuje opór płynu przy przepływie. Lepkość można również traktować jako miarę energii rozproszonej w postaci ciepła podczas przepływu płynu. Rozpraszanie energii następuje w wyniku przeniesienia pędu. Wartości współczynnika lepkości i mocy W wydzielanej na jednostkę objętości w wyniku lepkości powiązane są zależnością: W = ηγ? 2.
Zależność ustalona przez Newtona obowiązuje tylko w przypadku, gdy η nie zależy od szybkości ścinania. Ośrodki, w których ten warunek jest spełniony, nazywane są newtonowskimi (patrz płyn newtonowski).
Jednostką lepkości dynamicznej w SI jest Pa s [w CGS jest to puaz (dyn s/cm2): 1 puaz = 0,1 Pa s]. Wartość φ= 1/η, odwrotność lepkości, nazywana jest płynnością. Często brana jest pod uwagę również lepkość kinematyczna ν = η/ρ (gdzie ρ to gęstość substancji), mierzona w m 2 / s (SI) i Stokesa (GHS). Lepkość cieczy i gazów mierzy się za pomocą wiskozymetrów (patrz Wiskometria).
Lepkość gazów doskonałych określa się zależnością: η = (1/3)mn??, gdzie m to masa cząsteczki, n to liczba cząsteczek w jednostce objętości, ? - średnia prędkość cząsteczek, ? jest swobodną ścieżką cząsteczki.
Lepkość gazów wzrasta po podgrzaniu, podczas gdy lepkość cieczy, wręcz przeciwnie, maleje. Wynika to z odmiennych molekularnych mechanizmów lepkości w tych układach. Istnieją dwa mechanizmy przenoszenia pędu: kinetyczny (nie obejmujący zderzeń pomiędzy cząsteczkami) i kolizyjny. Pierwszy dominuje w gazie rozrzedzonym, drugi w gazie gęstym i cieczy.
W gazach odległości między cząsteczkami są znacznie większe niż promień działania sił molekularnych, dlatego lepkość gazów jest konsekwencją chaotycznego (termicznego) ruchu cząsteczek, w wyniku czego cząsteczki przemieszczają się z warstwy na warstwę, spowalniając w dół strumienia. Od średniej prędkości cząsteczek? wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, lepkość gazów wzrasta po podgrzaniu.
Lepkość cieczy, gdzie odległość między cząsteczkami jest znacznie mniejsza niż w gazach, wynika przede wszystkim z oddziaływań międzycząsteczkowych, które ograniczają ruchliwość cząsteczek. Wraz ze wzrostem temperatury wzajemny ruch cząsteczek staje się łatwiejszy, oddziaływania międzycząsteczkowe słabną, a w konsekwencji maleje tarcie wewnętrzne cieczy.
Lepkość cieczy zależy od wielkości i kształtu cząsteczek, ich położenie względne i siła oddziaływań międzycząsteczkowych. Lepkość zależy od struktury chemicznej cząsteczek cieczy. Tak, lepkość materia organiczna wzrasta wraz z wprowadzeniem grup polarnych i pierścieni do cząsteczki. W szeregach homologicznych (węglowodory nasycone, alkohole, kwasy organiczne itp.) lepkość związków wzrasta wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej.
Lepkość roztworów zależy od ich stężenia i może być większa lub mniejsza niż lepkość czystego rozpuszczalnika. Lepkość bardzo rozcieńczonych zawiesin zależy liniowo od udziału objętościowego φ zawieszonych cząstek: η = η 0 (1 + αφ) (wzór Einsteina), gdzie η 0 jest lepkością ośrodka dyspersyjnego. Współczynnik α zależy od kształtu cząstek; w szczególności dla cząstek kulistych α = 2,5. Podobną zależność lepkości od udziału objętościowego obserwuje się w roztworach białek globularnych.
Lepkość może zmieniać się w szerokich granicach. Poniżej podano wartości lepkości niektórych cieczy i gazów w temperaturze 20°C (w 10 -3 Pa·s): gazy - wodór 0,0088, azot 0,0175, tlen 0,0202; ciecze - woda 1,002, etanol 1,200, rtęć 1,554, nitrobenzen 2,030, gliceryna 1,485.
Ciekły hel ma najniższą lepkość. W temperaturze 2,172 K przechodzi w stan nadciekły, w którym lepkość wynosi zero (patrz Nadciekłość). Lepkość gazów jest setki razy mniejsza niż lepkość zwykłych cieczy. Lepkość stopionych metali jest o rząd wielkości zbliżona do lepkości zwykłych cieczy.
Roztwory i stopy polimerów mają wysoką lepkość. Lepkość nawet rozcieńczonych roztworów polimerów jest znacznie wyższa niż lepkość związków o niskiej masie cząsteczkowej. Dzieje się tak dlatego, że rozmiary makrocząsteczek polimeru są na tyle duże, że różne przekroje tej samej makrocząsteczki trafiają do warstw poruszających się z różnymi prędkościami, co powoduje dodatkowe opory przepływu. Lepkość bardziej stężonych roztworów polimerów staje się jeszcze większa w wyniku splątania ze sobą makrocząsteczek. Jedna z metod szacowania masy cząsteczkowej polimerów opiera się na pomiarze lepkości roztworów.
Obecność w roztworach polimerowych struktur przestrzennych powstałych w wyniku adhezji makrocząsteczek prowadzi do pojawienia się tzw. lepkości strukturalnej, która (w przeciwieństwie do lepkości cieczy Newtona) zależy od naprężenia (lub prędkości) ścinającego (patrz Reologia). Kiedy płynie strukturalny płyn, pracuj siły zewnętrzne wydaje się nie tylko na pokonanie tarcia wewnętrznego, ale także na zniszczenie konstrukcji.
Dosł.: Landau L. D., Akhiezer A. I., Lifshits E. M. Kurs fizyka ogólna. Mechanika i fizyka molekularna. wydanie 2. M., 1969; Filippova O. E., Khokhlov A. R. Lepkość rozcieńczonych roztworów polimerów. M., 2002; Schramm G. Podstawy praktycznej reologii i reometrii. M., 2003.
W stanie równowagi różne fazy substancje pozostają względem siebie w spoczynku. Wraz z ich względnym ruchem pojawiają się siły hamowania (lepkość), które mają tendencję do zmniejszania prędkości względnej. Mechanizm lepkości można sprowadzić do wymiany pędu uporządkowanego ruchu cząsteczek pomiędzy różnymi warstwami gazów i cieczy. Pojawienie się lepkich sił tarcia w gazach i cieczach nazywa się procesami przenoszenia. Lepkość ciał stałych ma wiele istotnych cech i jest rozpatrywana osobno.
DEFINICJA
Lepkość kinematyczna definiuje się jako stosunek lepkości dynamicznej () do gęstości substancji. Zwykle jest oznaczony literą (nu). Następnie zapisujemy matematyczną definicję współczynnika lepkości kinematycznej jako:
gdzie jest gęstość gazu (cieczy).
Ponieważ w wyrażeniu (1) gęstość substancji jest w mianowniku, to na przykład rozrzedzone powietrze pod ciśnieniem 7,6 mm Hg. Sztuka. a temperatura 0 o C ma lepkość kinematyczną dwukrotnie większą niż gliceryna.
Lepkość kinematyczna powietrza w normalne warunki często uważa się za równe, dlatego podczas poruszania się w atmosferze stosuje się prawo Stokesa, gdy iloczyn promienia ciała (cm) i jego prędkości () nie przekracza 0,01.
Często uważa się, że lepkość kinematyczna wody w normalnych warunkach jest rzędu , dlatego podczas poruszania się w wodzie stosuje się prawo Stokesa, gdy iloczyn promienia ciała (cm) i jego prędkości () nie przekracza 0,001.
Lepkość kinematyczna i liczby Reynoldsa
Liczby Reynoldsa (Re) wyraża się za pomocą lepkości kinematycznej:
gdzie to wymiary liniowe ciała poruszającego się w materii, a to prędkość ruchu ciała.
Zgodnie z wyrażeniem (2) dla ciała poruszającego się ze stałą prędkością liczba ta maleje wraz ze wzrostem lepkości kinematycznej. Jeśli liczba Re jest mała, wówczas w oporze czołowym siły tarcia lepkiego przeważają nad siłami bezwładności. I odwrotnie, duże liczby Reynoldsa, które obserwuje się przy niskich lepkościach kinematycznych, wskazują na pierwszeństwo sił bezwładności nad tarciem.
Liczba Reynoldsa jest mała przy danej wartości lepkości kinematycznej, gdy wielkość ciała i prędkość jego ruchu są małe.
Jednostki miary współczynnika lepkości kinematycznej
Podstawową jednostką SI lepkości kinematycznej jest:
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
| Ćwiczenia | Metalowa kulka (jej gęstość jest równa ) jest równomiernie zanurzona w cieczy (gęstość cieczy jest równa lepkości kinematycznej). Przy jakiej maksymalnej możliwej średnicy kuli przepływ wokół niej pozostanie laminarny? Należy wziąć pod uwagę, że przejście do przepływu turbulentnego następuje przy Re=0,5. Przyjmij średnicę kuli jako charakterystyczny rozmiar. |
| Rozwiązanie | Zróbmy rysunek Korzystając z drugiego prawa Newtona otrzymujemy wyrażenie: gdzie jest siłą Archimedesa i jest siłą tarcia lepkiego. W rzucie na oś Y równanie (1.1) przyjmie postać: W tym przypadku mamy: W tym przypadku:
Podstawiając wyniki (1.3)-(1.5) do (1.2) otrzymujemy: Liczbę Reynoldsa definiujemy w naszym przypadku jako:
|
W przemyśle działalność naukowa Często konieczne jest obliczenie współczynnika lepkości cieczy. Praca z mediami konwencjonalnymi lub rozproszonymi w postaci aerozoli i emulsji gazowych wymaga znajomości właściwości fizycznych tych substancji.
Jaka jest lepkość cieczy?
Newton położył także podwaliny pod naukę reologii. Dział ten bada opór substancji podczas ruchu, czyli lepkość.
W cieczach i gazach cząsteczki oddziałują ze sobą w sposób ciągły. Uderzają się w siebie, są odpychane lub po prostu przelatują obok. W rezultacie warstwy materii wydają się oddziaływać ze sobą, nadając każdej z nich prędkość. Zjawisko takiego oddziaływania pomiędzy cząsteczkami cieczy/gazów nazywane jest lepkością, czyli tarciem wewnętrznym.
Aby lepiej zbadać ten proces, należy zademonstrować eksperyment z dwiema płytkami, pomiędzy którymi znajduje się płynne medium. Jeżeli poruszymy górną płytką, to „przyklejona” do niej warstwa cieczy również zacznie się poruszać z określoną prędkością v1. Po krótkim czasie zauważamy, że leżące pod spodem warstwy cieczy również zaczynają poruszać się po tej samej trajektorii z prędkościami v2, v3...vn itd., przy v1>v2, v3...vn. Prędkość najniższej pozostaje zerowa.
Na przykładzie gazu przeprowadzenie takiego eksperymentu jest prawie niemożliwe, ponieważ siły oddziaływania cząsteczek między sobą są bardzo małe i nie będzie możliwe zarejestrowanie tego wizualnie. Tutaj mówimy również o warstwach, o prędkości ruchu tych warstw, dlatego lepkość występuje również w mediach gazowych.
Media newtonowskie i nienewtonowskie
Płyn Newtona to płyn, którego lepkość można obliczyć za pomocą wzoru Newtona.
Do mediów takich zalicza się wodę i roztwory. Współczynnik lepkości cieczy w takich mediach może zależeć od czynników takich jak temperatura, ciśnienie czy budowa atomowa substancji, ale gradient prędkości zawsze pozostanie niezmieniony.
Ciecze nienewtonowskie to ośrodki, w których powyższa wartość może się zmieniać, co oznacza, że wzór Newtona nie będzie tu miał zastosowania. Do substancji tych zaliczają się wszelkie media rozproszone (emulsje, aerozole, zawiesiny). Dotyczy to również krwi. Porozmawiamy o tym bardziej szczegółowo później.
Krew jako środowisko wewnętrzne organizmu
Jak wiadomo, 80% krwi to osocze, które ma płynny stan skupienia, a pozostałe 20% to erytrocyty, płytki krwi, leukocyty i różne wtrącenia. Ludzkie czerwone krwinki mają średnicę 8 nm. W stanie stacjonarnym tworzą agregaty w postaci kolumn monet, znacznie zwiększając jednocześnie lepkość cieczy. Jeśli przepływ krwi jest aktywny, te „struktury” rozpadają się, a tarcie wewnętrzne odpowiednio się zmniejsza.
Średnie współczynniki lepkości
Wzajemne oddziaływanie warstw ośrodka wpływa na charakterystykę całego układu cieczowego lub gazowego. Lepkość jest jednym z przykładów zjawiska fizycznego zwanego tarciem. Dzięki temu górna i dolna warstwa ośrodka stopniowo wyrównują prędkość swojego prądu, aż ostatecznie staje się ona równa zeru. Lepkość można również scharakteryzować jako opór jednej warstwy ośrodka względem drugiej.
Aby opisać takie zjawiska, wyróżnia się dwie jakościowe cechy tarcia wewnętrznego:
- współczynnik lepkości dynamicznej (lepkość dynamiczna cieczy);
- kinetyczny współczynnik lepkości (lepkość kinetyczna).
Obie wielkości powiązane są równaniem υ = η / ρ, gdzie ρ to gęstość ośrodka, υ to lepkość kinetyczna, a η to lepkość dynamiczna.
Metody wyznaczania lepkości cieczy
Wiskometria to pomiar lepkości. NA nowoczesna scena W rozwoju nauki wartość lepkości cieczy można znaleźć w praktyce na cztery sposoby:
1. Metoda kapilarna. Aby to zrobić, musisz mieć dwa naczynia połączone szklanym kanałem o małej średnicy znana długość. Musisz także znać wartości ciśnienia w jednym naczyniu i w drugim. Ciecz umieszcza się w szklanym kanale i przez pewien czas przepływa z jednej kolby do drugiej.
Dalsze obliczenia wykonuje się korzystając ze wzoru Poiseuille’a, aby znaleźć wartość współczynnika lepkości cieczy.
W praktyce mediami ciekłymi mogą być mieszaniny podgrzane do temperatury 200-300 stopni. Zwykła szklana rurka w takich warunkach uległaby po prostu odkształceniu, a nawet pęknięciu, co jest niedopuszczalne. Nowoczesne wiskozymetry kapilarne wykonane są z wysokiej jakości, wytrzymałego materiału, który z łatwością wytrzymuje takie obciążenia.
2. Metoda medyczna według Hessego. Aby w ten sposób obliczyć lepkość cieczy, konieczne jest posiadanie nie jednej, ale dwóch identycznych instalacji kapilarnych. W jednym z nich z góry umieszczony jest nośnik znana wartość tarcie wewnętrzne, a w drugim - ciecz testowa. Następnie mierzone są dwie wartości czasu i ustalana jest proporcja, według której osiągają pożądaną liczbę.
3. Metoda rotacyjna. Aby to przeprowadzić, konieczna jest konstrukcja dwóch współosiowych cylindrów. Oznacza to, że jeden z nich musi znajdować się wewnątrz drugiego. Do przestrzeni pomiędzy nimi wlewa się ciecz, po czym wewnętrzny cylinder zostaje rozpędzony. Ta prędkość kątowa jest również przekazywana płynowi. Różnica momentu obrotowego pozwala obliczyć lepkość medium.
4. Wyznaczanie lepkości cieczy metodą Stokesa. Aby przeprowadzić to doświadczenie, musisz mieć wiskozymetr Hepplera, który jest cylindrem wypełnionym cieczą. Przed rozpoczęciem eksperymentu wykonaj dwa znaki na cylindrze i zmierz długość między nimi. Następnie biorą kulę o określonym promieniu R i opuszczają ją do ciekłego ośrodka. Aby określić prędkość spadania, znajdź czas potrzebny obiektowi na przemieszczenie się z jednego znaku do drugiego. Znając prędkość piłki, możesz obliczyć lepkość cieczy.
Praktyczne zastosowanie wiskozymetrów
Określanie lepkości cieczy ma ogromne znaczenie praktyczne w przemyśle rafinacji ropy naftowej. Podczas pracy z mediami wielofazowymi, rozproszonymi istotna jest ich znajomość właściwości fizyczne zwłaszcza tarcie wewnętrzne. Nowoczesne wiskozymetry wykonane są z trwałych materiałów, a przy ich produkcji wykorzystywane są zaawansowane technologie. Wszystko to razem pozwala na pracę wysoka temperatura i ciśnienie bez szkody dla samego sprzętu.
Lepkość płynu odgrywa dużą rolę w przemyśle, ponieważ transport, przetwarzanie i produkcja na przykład oleju zależą od wartości tarcia wewnętrznego ciekłej mieszaniny.
Jaką rolę odgrywa lepkość w sprzęcie medycznym?
Przepływ mieszaniny gazów przez rurkę dotchawiczą zależy od tarcia wewnętrznego tego gazu. Zmiana lepkości medium ma tutaj różny wpływ na przenikanie powietrza przez aparat i zależy od składu mieszaniny gazowej.
Wstęp leki, szczepionki podawane za pomocą strzykawki również są świecący przykład skutki średniej lepkości. Mówimy o spadkach ciśnienia na końcu igły podczas wstrzykiwania płynu, chociaż początkowo uważano, że to zjawisko fizyczne można pominąć. Powstanie wysokie ciśnienie na końcu - jest to wynik tarcia wewnętrznego.
Wniosek
Lepkość medium jest jedną z nich wielkości fizyczne, który ma duże zastosowanie praktyczne. W laboratorium, przemyśle, medycynie – we wszystkich tych obszarach pojęcie tarcia wewnętrznego pojawia się bardzo często. Działanie najprostszego sprzętu laboratoryjnego może zależeć od stopnia lepkości medium użytego do badań. Nawet przemysł przetwórczy nie może obejść się bez wiedzy z zakresu fizyki.
