Вибір моторного масла - серйозне завдання для кожного автолюбителя. І головний параметр, за яким має здійснюватися підбір – це в'язкість олії. В'язкість олії характеризує ступінь густоти моторної рідини та її здатність зберігати свої властивості при температурних перепадах.
Спробуємо розібратися, у яких одиницях має вимірюватися в'язкість, які функції вона виконує і чому грає величезну роль роботі всієї рухової системи.
Робота двигуна внутрішнього згоряння передбачає безперервну взаємодію його конструктивних елементів. Уявимо на секунду, що двигун працює "на суху". Що з ним станеться? По-перше, сила тертя підвищить температуру всередині пристрою. По-друге, відбудеться деформація та знос деталей. І, нарешті, все це призведе до повної зупинки ДВЗ та неможливості його подальшого використання. Правильно підібране моторне масло виконує такі функції:
- захищає мотор від перегріву,
- запобігає швидкому зносу механізмів,
- перешкоджає утворенню корозії,
- виводить нагар, сажу та продукти згоряння палива за межі рухової системи,
- сприяє збільшенню ресурсу силового агрегату.
Таким чином, нормальне функціонування моторного відділу без змащувальної рідини неможливе.
Важливо! Заливати в двигун транспортного засобупотрібно тільки те масло, в'язкість якого відповідає вимогам автовиробників. У цьому випадку коефіцієнт корисної дії буде максимальним, а зношування робочих вузлів – мінімальним. Довіряти думкам продавців-консультантів, друзів та спеціалістів автосервісів, якщо вони розходяться з інструкцією до автомобіля, не варто. Адже тільки виробник може знати напевно, чим варто заправляти двигун.
Індекс в'язкості олії
Поняття в'язкості масел має на увазі здатність рідини до тягучості. Визначається вона за допомогою індексу в'язкості. Індекс в'язкості масла - це величина, що показує ступінь тягучості олійної рідини при температурних змінах. Мастила, що мають високий ступінь в'язкості, мають такі властивості:
- при холодному запуску двигуна захисна плівка має сильну плинність, що забезпечує швидке та рівномірний розподілмастила по всій робочій поверхні;
- нагрівання двигуна викликає збільшення в'язкості плівки. Така властивість дозволяє утримувати захисну плівку на поверхнях деталей, що рухаються.
Тобто. олії з високим значенням індексу в'язкості легко адаптуються під температурні навантаження, тоді як низький індекс в'язкості моторної олії свідчить про менші здібності. Такі речовини мають рідкіший стан і утворюють на деталях тонку захисну плівку. В умовах негативних температур моторна рідина з низьким індексом в'язкості ускладнить пуск силового агрегату, а при високотемпературних режимах не зможе запобігти більшій силі тертя.
Розрахунок індексу в'язкості здійснюється за ГОСТом 25371-82. Розрахувати його можна за допомогою онлайн-сервісів Інтернету.
Кінематична та динамічна в'язкості
Ступінь тягучості моторного матеріалу визначається двома показниками – кінематичною та динамічною в'язкістю.
Моторне масло
Кінематична в'язкість олії – показник, що відображає його плинність при нормальних (+40 градусів Цельсія) та високих (+100 градусів Цельсія) температурах. Методика виміру даної величини ґрунтується на використанні капілярного віскозиметра. За допомогою приладу вимірюється час, потрібний для закінчення масляної рідини при заданих температурах. Вимірюється кінематична в'язкість мм 2 /с.
Динамічна в'язкість олії також обчислюється дослідним шляхом. Вона показує силу опору олійної рідини, що виникає під час руху двох шарів олії, віддалених один від одного на відстані 1 сантиметра та рухомих зі швидкістю 1 см/с. Одиниці виміру цієї величини – Паскаль-секунди.
Визначення в'язкості олії має відбуватися у різних температурних умовах, т.к. рідина не стабільна і змінює свої властивості за низьких і високих температур.
Таблиця в'язкості моторних масел за температурою представлена нижче.
Розшифровка позначення моторної олії
Як зазначалося раніше, в'язкість - це основний параметр захисної рідини, що характеризує її здатність забезпечувати працездатність автомобіля в різних кліматичних умовах.
Згідно з міжнародною системою класифікації SAE, моторні мастила можуть бути трьох видів: зимові, літні та всесезонні.
Олія, призначена для зимового використання, маркується цифрою та літерою W, наприклад, 5W, 10W, 15W. Перший знак маркування вказує на діапазон негативних робочих температур. Літера W – від англійського слова“Winter” – зима – інформує покупця про можливість використання мастила у суворих низькотемпературних умовах. Вона має більшу плинність, ніж літній аналог, щоб забезпечити легкий запуск при низьких температурах. Рідка плівка миттєво обволікає холодні елементи та полегшує їх прокручування.
Межа негативних температур, за яких масло зберігає працездатність наступний: для 0W – (-40) градусів Цельсія, для 5W – (-35) градусів, для 10W – (-25) градусів, для 15W – (-35) градусів.
Літня рідина має високу в'язкість, що дозволяє плівці міцніше "триматися" на робочих елементах. В умовах дуже високих температур така олія рівномірно розтікається по робочій поверхні деталей і захищає їх від сильного зносу. Позначається така олія цифрами, наприклад, 20,30,40 і т.д. Дана цифра характеризує високотемпературну межу, в якій рідина зберігає свої властивості.
Важливо! Що означає цифри? Цифри літнього параметра в жодному разі не означають максимальну температуру, за якої можлива робота автомобіля. Вони умовні, і до градусної шкали відношення не мають.
Олія з в'язкістю 30 нормально функціонує при температурі довкіллядо +30 градусів за Цельсієм, 40 – до +45 градусів, 50 – до +50 градусів.
Розпізнати універсальне масло просто: його маркування включає дві цифри та букву W між ними, наприклад, 5w30. Його використання має на увазі будь-які кліматичні умови, будь то сувора зима або спекотне літо. В обох випадках масло підлаштовуватиметься під зміни і зберігатиме працездатність всієї рухової системи.
До речі, кліматичний діапазон універсальної олії визначається просто. Наприклад, для 5W30 він варіюється в межах від мінус 35 до +30 градусів за Цельсієм.
Всесезонні олії зручні у використанні, тому на прилавках автомагазинів вони зустрічаються частіше за літні та зимові варіанти.
Для того щоб мати більш повне уявлення про те, яка в'язкість моторного масла доречна у вашому регіоні, нижче представлена таблиця, що показує діапазон робочих температур для кожного типу рідини, що змащує.
Усереднені діапазони працездатності олій
Розібравшись, що означають цифри у в'язкості олії, перейдемо до наступного стандарту. Класифікація моторного масла по в'язкості стосується також стандарту API. Залежно від типу двигуна, позначення API починається з літери S або C. S має на увазі бензинові двигуни, С - дизельні. Друга літера класифікації свідчить про клас якості моторного масла. І чим далі ця літера знаходиться від початку алфавіту, тим краща якістьзахисної рідини.
Для бензинових рухових систем є такі позначення:
- SC-рік випуску до 1964 р.
- SD-рік випуску з 1964 по 1968 р.р.
- SE-рік випуску з 1969 по 1972 р.р.
- SF-рік випуску з 1973 по 1988 р.р.
- SG-рік випуску з 1989 по 1994 р.р.
- SH-рік випуску з 1995 по 1996 р.р.
- SJ - Рік випуску з 1997 по 2000 р.р.
- SL - Рік випуску з 2001 по 2003 р.
- SM - Рік випуску після 2004 р.
- SN-авто, обладнані сучасною системоюнейтралізації вихлопних газів
Для дизельних:
- CB-рік випуску до 1961 р.
- CC - рік випуску до 1983 р.
- CD-рік випуску до 1990 р.
- CE - рік випуску до 1990 р., (турбований мотор).
- CF-рік випуску з 1990 р., (турбований мотор).
- CG-4 - рік випуску з 1994 р., (турбований мотор).
- CH-4 - рік випуску з 1998 р.
- CI-4 - сучасні авто (турбований двигун).
- CI-4 plus – значно вищий клас.
Що одному двигуну добре, то іншому загрожує ремонтом
Моторне масло
Багато автовласників впевнені, що вибирати варто в'язкіші масла, адже вони - запорука довговічної роботи двигуна. Це серйозна помилка. Так, фахівці заливають під капоти гоночних болідів олію з великим ступенем тягучості задля досягнення максимального ресурсу силового агрегату. Але звичайні легкові машини обладнані іншою системою, яка просто захлинеться при надмірній густоті захисної плівки.
Про те, яку в'язкість масла можна використовувати в двигуні тієї чи іншої машини, описано в будь-якому посібнику з експлуатації.
Адже до запуску масового продажу моделей, автовиробники проводили велику кількість тестів, враховуючи можливі режими їзди та експлуатацію технічного засобуу різних кліматичних умовах. Завдяки аналізу поведінки мотора та його здатності підтримувати стабільну роботу у тих чи інших умовах, інженери встановлювали допустимі параметри моторного мастила. Відхилення від них може спровокувати зниження потужності рухової системи, її перегрів, збільшення витрати палива та багато іншого.
Моторне масло у двигуні
Чому клас в'язкості такий важливий у роботі механізмів? Уявіть на хвилину двигун зсередини: між циліндрами і поршнем є зазор, величина якого повинна допускати можливе розширення деталей від високотемпературних перепадів. Але для максимального коефіцієнта корисної дії цей проміжок повинен мати мінімальне значення, запобігаючи попаданню в рухову систему вихлопних газів, що утворюються під час горіння паливної суміші. Для того щоб корпус поршня не нагрівався від зіткнення з циліндрами, і використовується моторне мастило.
Рівень в'язкості олії має забезпечувати працездатність кожного елемента рухової системи. Виробники силових агрегатів повинні домогтися оптимального співвідношення мінімального зазору між деталями, що труться, і масляною полоною, запобігаючи передчасному зносу елементів і підвищуючи робочий ресурс двигуна. Погодьтеся, довіряти офіційним представникам автомобільної марки безпечніше, знаючи, яким шляхом ці знання були отримані, ніж вірити досвідченим автомобілістам, які покладаються на інтуїцію.
Що відбувається у момент запуску двигуна?
Якщо ваш “залізний друг” простояв усю ніч на морозі, то ранком показник в'язкості залитого в нього масла буде в кілька разів вищим за розрахункову робочу величину. Відповідно, товщина захисної плівки перевищуватиме зазори між елементами. У момент запуску холодного двигуна відбувається падіння його потужності та підвищення температури всередині нього. Таким чином, виникає прогрівання двигуна.
Важливо! Під час прогрівання не можна надавати йому підвищене навантаження. Занадто густий мастильний склад ускладнить рух основних механізмів і призведе до скорочення терміну експлуатації автомобіля.
В'язкість моторного масла в робочих температурах
Після того як двигун прогрівся, активується система охолодження. Один цикл роботи двигуна виглядає так:
- Натиск на педаль газу підвищує обороти мотора і збільшує навантаження на нього, в результаті чого збільшується сила тертя деталей (бо занадто в'яжуча рідина ще не встигла потрапити в міждетальні зазори),
- температура олії підвищується,
- ступінь його в'язкості знижується (збільшується плинність),
- товщина масляного шару зменшується (просочується в міждетальні зазори),
- сила тертя знижується,
- температура масляної плівки знижується (частково за допомогою системи охолодження).
За таким принципом працює будь-яка рухова система.
В'язкість моторних масел при температурі – 20 градусів
Залежність в'язкості олії від робочої температури очевидна. Так само, як очевидно те, що високий рівеньзахист двигуна не повинен знижуватися протягом усього періоду експлуатації. Найменше відхилення від норми може призвести до зникнення моторної плівки, що негативно позначиться на “беззахисній” деталі.
Кожен двигун внутрішнього згоряння, хоч і має схожу конструкцію, але має унікальним наборомспоживчих властивостей: потужністю, економічністю, екологічністю та величиною крутного моменту. Пояснюються ці відмінності різницею моторних зазорів та робочих температур.
Для того, щоб максимально точно підібрати олію для транспортного засобу, було розроблено міжнародні класифікації моторних рідин.
Передбачена стандартом SAE класифікація інформує автовласників про усереднений діапазон робочих температур. Більш чіткі уявлення про можливість використання мастил в певних автомобілях дають класифікації API, ACEA і т.д.
Наслідки заливання олії підвищеної в'язкості
Бувають випадки, коли автовласники не знають, як визначити необхідну в'язкість моторного масла для свого автомобіля, і заливають те, яке радять продавці. Що станеться, якщо тягучість виявиться вищою за потрібну?
Якщо в добре прогрітому двигуні "плескається" масло з підвищеною тягучістю, то для двигуна небезпеки не виникає (при нормальних оборотах). У цьому випадку просто підвищиться температура всередині агрегату, що призведе до зниження в'язкості мастила. Тобто. ситуація прийде до норми. Але! Регулярне повторення цієї схеми помітно знизить моторесурс.
Якщо різко "дати газу", викликавши збільшення оборотів, ступінь в'язкості рідини не буде відповідати температурі. Це призведе до перевищення максимально допустимої температури у моторному відсіку. Перегрів викликає підвищення сили тертя та зниження зносостійкості деталей. До речі, сама олія також втратить свої властивості за досить короткий проміжок часу.
Про те, що в'язкість олії не підійшла транспортному засобу, миттєво дізнатися ви не зможете.
Перші "симптоми" з'являться лише через 100-150 тисяч кілометрів пробігу. І головним показником стане збільшення проміжків між деталями. Однак, безумовно зв'язати підвищену в'язкість і швидке зниження ресурсу двигуна не зможуть навіть досвідчені фахівці. Саме з цієї причини офіційні автомайстерні найчастіше нехтують вимогами виробників транспортних засобів. До того ж, їм вигідно проводити ремонт силових агрегатів автомобілів, у яких вже закінчився термін гарантійного обслуговування. Ось чому вибір ступеня в'язкості олії – складне завдання для кожного автолюбителя.
Занадто низька в'язкість: чи небезпечна вона?
Моторне масло
Занапастити бензинові та дизельні двигуни може низький ступінь в'язкості. Цей факт пояснюється тим, що при підвищених робочих температурах і навантаженнях на мотор плинність плівки, що обволікає, підвищується, в результаті чого не без того рідкий захист просто "оголює" деталі. Результат: підвищення сили тертя, збільшення витрати ПММ, деформація механізмів. Довга експлуатація автомобіля із залитою низьков'язкою рідиною неможлива – його заклинить практично відразу.
Деякі сучасні моделі моторів передбачають використання так званих "енергозберігаючих" масел, що мають знижену в'язкість. Але використовувати їх можна тільки якщо є спеціальні допуски автовиробників: ACEA A1, B1 та ACEA A5, B5.
Стабілізатори густини олії
Через постійні температурні навантаження в'язкість олії поступово починає зменшується. І допомогти поновити її можуть спеціальні стабілізатори. Їх можна використовувати в двигунах будь-якого типу, знос яких досяг середнього або високого рівня.
Стабілізатори дозволяють:
Стабілізатори
- збільшувати в'язкість захисної плівки,
- знижувати кількість нагару та відкладень на циліндрах мотора,
- скорочувати викид шкідливих речовинв атмосферу,
- відновлювати захисний масляний шар,
- досягати «безшумності» у роботі двигуна,
- запобігати процесам окислення всередині корпусу мотора.
Використання стабілізаторів дозволяє не тільки збільшити термін між «масляними» замінами, а й відновити втрачені корисні властивостізахисний шар.
Різновиди спеціальних мастил, що застосовуються на виробництвах
Мастило веретенного машинного вигляду має низьков'язкі властивості. Використання такого захисту раціонально на моторах, що мають слабке навантаження та працюють на великих швидкостях. Найчастіше застосовується таке мастило в текстильному виробництві.
Турбінне мастило. Її головна особливість полягає у захисті всіх працюючих механізмів від окислення та передчасного зносу. Оптимальна в'язкість турбінного масла дозволяє використовувати його в турбокомпресорних приводах, газових, парових та гідравлічних турбінах.
ВМГЗ або всесезонне гідравлічне загущене масло. Така рідина ідеально підходить для техніки, що використовується в районах Сибіру, Крайньої Півночі та Далекого Сходу. Призначено таку олію двигунам внутрішнього згоряння, обладнаним гідравлічними приводами. ВМГЗ не поділяється на літні та зимові олії, тому що його застосування передбачає лише низькотемпературний клімат.
Як сировина для гідромастила виступають малов'язкі компоненти, що містять мінеральну основу. Для того, щоб масло досягло потрібної консистенції, до нього додають спеціальні присадки.
В'язкість гідравлічної олії представлена в таблиці нижче.
ОйлРайт - ще одне мастило, що використовується для консервації та обробки механізмів. Вона має водостійку графітову основу та зберігає свої властивості в діапазоні температур від мінус 20 градусів до плюс 70 градусів Цельсія.
Висновки
Однозначної відповіді питання: “яка в'язкість моторного масла найкраща?” немає і може бути. Вся справа в тому, що потрібний ступінь тягучості для кожного механізму - чи то ткацький верстат, чи мотор гоночного боліда - своя, і визначити її навмання не можна. Необхідні параметри змащувальних рідин обчислюються виробниками дослідним шляхом, тому при виборі рідини для свого транспортного засобу насамперед керуєтеся вказівками розробника. А вже після цього ви можете звернутися до таблиці в'язкості моторних олій за температурою.
В'язкість- це властивість рідини чинити опір зрушуючим зусиллям. В'язкість - властивість, властиве як краплинним рідинам, так і газам, що проявляється тільки при русі, не може бути виявлено при спокої, і проявляється у вигляді внутрішнього тертя при переміщенні суміжних частинок рідини. В'язкість характеризує ступінь плинності рідини та рухливості її частинок. В'язкістю рідин пояснюється опір і втрати натиск, що виникає при русі їх по трубах, каналах та інших руслах, а також при русі в них сторонніх тіл.
Вивчення властивостей внутрішнього тертя рідини активно займався Ісаак Ньютон, заклавши основи вчення про в'язкість. Ньютон висловив припущення (згодом підтверджене досвідом), що сили опору, що виникають при такому ковзанні шарів, пропорційні площі дотику шарів та швидкості ковзання. У результаті, І. Ньютон отримав залежність, що характеризує зв'язок в'язкості з явищем внутрішнього тертя, що отримала назву однойменного закону.
Нехай рідина тече вздовж плоскої стінки паралельними шарами. Кожен шар рухатиметься зі своєю швидкістю, причому швидкість шарів збільшуватиметься в міру віддалення від стінки.
Розглянемо два шари рідини, що рухаються на відстані Δy один від одного. Оскільки між шарами є сила тертя і завдяки взаємному гальмування різні шари мають різні швидкості, та шар А рухається зі швидкістю v, а шар Б - зі швидкістю (v+Δv). Величина Δv є абсолютним зрушенням шару А шаром Б, а величина Δv/Δy - відносним зрушенням, або градієнтом швидкості. Тоді під час руху виникає дотична напруга τ (тау), яка характеризує тертя на одиницю площі (напруженням внутрішнього тертя).
Напруга внутрішнього тертя має фізичний сенс залежності:
де F тр- Сила внутрішнього тертя, Н; S- Площа зіткнення поверхонь, м2.
Тоді згідно із законом Ньютона залежність між напругою та відносним зрушенням матиме вигляд:
тобто. напруга внутрішнього тертя пропорційного градієнту швидкості.
Коефіцієнт пропорційності µ (мю) називається динамічним коефіцієнтом в'язкості. З формули видно, що динамічний коефіцієнт в'язкості чисельно дорівнює напрузі внутрішнього тертя у разі, коли відносна швидкість двох площин А і Б, віддалених друг від друга з відривом 1 м, дорівнює 1м/с.
Розмірність динамічного коефіцієнта в'язкості випливає із формули. Оскільки напруга τ є сила, віднесена до одиниці площі, його розмірність дорівнює:
Розмірність градієнта швидкості:
Звідси розмірність динамічного коефіцієнта в'язкості:
Таким чином, за одиницю виміру динамічної в'язкості в системі одиниць СІ приймають:
У фізичної системиодиницею динамічної в'язкості є пуаз, що позначається « П»:
Динамічна в'язкість у краплинних рідин, молекули яких розташовані дуже близько один до одного, при підвищенні температури зменшується у зв'язку зі збільшенням швидкості броунівського руху, що ослаблює утримуючі зв'язки, тобто сили зчеплення.
Залежність коефіцієнта μ від температури у загальному вигляді виражається формулою:
де - значення при t= 0 ° C; аі b -дослідні коефіцієнти, що залежать від фізико-хімічних властивостей (від роду) рідини; t -температура рідини у °С.
У газів сили тяжіння між молекулами проявляють себе тільки при сильному стисканні, а в звичайних умовахмолекули газів перебувають у стані хаотичного теплового руху та тертя шарів газу одна про одну відбувається лише внаслідок зіткнення молекул. При підвищенні температури швидкість молекул зростає, зростає кількість зіткнень і в'язкість зростає.
Для прісної води Пуазейлем отримано формулу:
Для повітря відома формула Міллікена:
У гідравліці для характеристики в'язких властивостей газів і пар іноді замість динамічного використовується інший коефіцієнт в'язкості, що позначається буквою η (ця) та пов'язаний з динамічним коефіцієнтом рівнянням
де g - прискорення сили тяжіння м/с 2 .
Очевидно, цей коефіцієнт в'язкості η має розмірність:
При цьому одиницею виміру η в технічній системі одиниць є
У гідравліці та на виробництві широко застосовується так званий кінематичний коефіцієнт в'язкості ν(ню), що визначається як відношення динамічної в'язкості до щільності:
Розмірність кінематичного коефіцієнта в'язкості:
У системі СІ для ν прийнята одиниця: .
Одиницею виміру коефіцієнта ν у фізичній системі служить стокс, позначається « Ст»:
Наприклад, кінематичний коефіцієнт в'язкості води дорівнює
Величину, обернену динамічної в'язкості називають плинністю.
В'язкість для всіх краплинних рідин зменшується з підвищенням температури. Для отримання точних гідравлічних розрахунків рекомендується мати графік (або таблицю) залежності в'язкості від температури, побудований на основі спеціальних визначень у лабораторії. Дуже обережно слід ставитись до різного родуномограм і формул, службовцям для визначення в'язкості суміші двох або декількох різних нафтопродуктів.
Графік, що характеризує залежність зміни в'язкості рідини від температури називається віскограмою(Мал. 1.3).
Рис.1.3. Віскограма
Для визначення в'язкості рідини за будь-якої довільної температури Tз достатньою точністю використовується формула Рейнольдса-Філонова:
де ν - в'язкість за відомої температури Т , u- Коефіцієнт крутості віскограми, який характеризує кут нахилу дотичної віскограми до осі абсцис (Рис. 1.4) і визначається за формулою:
Рис.1.4 Визначення коефіцієнта крутості віскограми
Таким чином, можна охарактеризувати будь-яку рідину і визначити її в'язкість за будь-якої температури, знаючи координати двох довільних точок віскограми. Варто зауважити, що для краплинних рідин коефіцієнт віскограми позитивний, проте існують рідини, у яких в'язкість мало змінюється при зміні температури, для газоподібних – коефіцієнт віскограми негативний. Існують рідини, в'язкість яких мало залежить від температури, вони є складними. хімічні сполукиі використовуються як робітники в гідравлічних машинах, наприклад у вискомуфтах.
Існують рідини, для яких закон І. Ньютона не застосовується. На відміну від звичайних, ньютонівських, ці рідини називають неньютонівськими, або аномальними.
Значення кінематичної в'язкості води та повітря
В'язкість різних сортів рідини однієї назви, наприклад, нафти, залежно від хімічного складута молекулярної будови може мати різні значення.
Для в'язких нафт середні значення u= 0,05+0,1 на 1°С.
В'язкість рідин, як свідчать досліди, залежить також від тиску. У разі зростання тиску вона зазвичай збільшується. Винятком є вода, для якої при температурі до 32° З підвищенням тиску в'язкість зменшується. При тисках, які у практиці (до 20 МПа), зміна в'язкості рідин дуже мало і за звичайних гідравлічних розрахунках не враховується.
В'язкість, властивість рідини (або газу) чинити опір течії.
В'язкість розглядають також як одне із перенесення явищ, що визначає дисипацію енергії при деформації середовища. В'язкість твердих тіл має ряд особливостей і зазвичай розглядається окремо (дивися Внутрішнє тертя).
При ламінарному русі рідини між двома плоскопаралельними пластинами, одна з яких нерухома, а інша рухається зі швидкістю ν, молекулярний шар, що безпосередньо примикає до нижньої пластини, залишається нерухомим, а шар, що примикає до верхньої пластини, буде рухатися з максимальною швидкістю (рис.). . Перебіг рідини характеризується градієнтом швидкості γ?= dv/dz, що вказує на швидкість зміни швидкості від шару до шару в напрямку перпендикулярному руху рідини. Якщо швидкість змінюється лінійно, то? = v/d, де d - відстань між пластинами. Величину γ називають також швидкістю зсуву.
Відповідно до основного закону в'язкої течії, встановленого І. Ньютоном (опублікований в 1687), напруга зсуву τ = F/S, що викликає перебіг рідини, пропорційно градієнту швидкості течії: τ = ηγ?. Коефіцієнтом пропорційності називається коефіцієнт динамічної в'язкості, або просто в'язкість. Він характеризує опір рідини течією. В'язкість також можна розглядати як міру енергії, що розсіюється у формі теплоти в процесі течії рідини. Розсіювання енергії відбувається внаслідок перенесення кількості руху. Величини коефіцієнта в'язкості та потужності W, що розсіюється в одиниці об'єму за рахунок в'язкості, пов'язані співвідношенням: W = ηγ? 2 .
Співвідношення, встановлене Ньютоном, справедливе лише тому випадку, коли η залежить від швидкості зсуву. Середовища, у яких виконується ця умова, називаються ньютонівськими (дивися Ньютонівська рідина).
Одиницею вимірювання динамічної в'язкості СІ є Па·с [в СГС - пуаз (дин·с/см 2): 1 пуаз = 0,1 Па·с]. Розмір φ= 1/η, зворотна в'язкості, називається плинністю. Також часто розглядають кінематичну в'язкість ν = η/ρ (де ρ - щільність речовини), що вимірюється в м 2 /с (СІ) та стоксах (СГС). В'язкість рідин та газів вимірюється за допомогою віскозиметрів (дивись Віскозиметрія).
В'язкість ідеальних газів визначається співвідношенням: η = (1/3) mn??, де m – маса молекули, n – число молекул в одиниці об'єму, ? - Середня швидкість молекул,? - Довжина вільного пробігу молекули.
В'язкість газів збільшується при нагріванні, а в'язкість рідин навпаки зменшується. Це з різними молекулярними механізмами в'язкості у цих системах. Розрізняють два механізми перенесення кількості руху: кінетичний (що не передбачає зіткнень між молекулами) і зіткнений. Перший є переважним у розрідженому газі, другий - у щільному газі та рідині.
У газах відстані між молекулами істотно більша за радіус дії молекулярних сил, тому в'язкість газів - наслідок хаотичного (теплового) руху молекул, в результаті якого молекули переходять з шару в шар, сповільнюючи перебіг. Бо середня швидкість молекул? зростає із підвищенням температури, в'язкість газів збільшується при нагріванні.
В'язкість рідин, де відстань між молекулами значно менша, ніж у газах, обумовлена насамперед міжмолекулярними взаємодіями, що обмежують рухливість молекул. З підвищенням температури полегшується взаємне переміщення молекул, слабшають міжмолекулярні взаємодії і, отже, зменшується внутрішнє тертя рідини.
В'язкість рідини визначається розмірами та формою молекул, їх взаємним розташуваннямта силою міжмолекулярних взаємодій. В'язкість залежить від хімічної структури молекул рідини. Так, в'язкість органічних речовинзростає із введенням у молекулу полярних груп та циклів. У гомологічних рядах (насичені вуглеводні, спирти, органічні кислотиі т. п.) в'язкість сполук зростає із зростанням молекулярної маси.
В'язкість розчинів залежить від їх концентрації і може бути як більшою, так і меншою в'язкості чистого розчинника. В'язкість гранично розведених суспензій лінійно залежить від об'ємної частки зважених частинок: η = η 0 (1 +αφ) (формула Ейнштейна), де η 0 - в'язкість дисперсійного середовища. Коефіцієнт залежить від форми частинок; зокрема, для сферичних частинок = 2,5. Аналогічна залежність в'язкості від об'ємної частки спостерігається у розчинах глобулярних білків.
В'язкість може змінюватись у широких межах. Далі наведено значення в'язкості деяких рідин і газів при температурі 20°С (10 -3 Па·с): гази - водень 0,0088, азот 0,0175, кисень 0,0202; рідини - вода 1,002, етиловий спирт 1,200, ртуть 1,554, нітробензол 2,030, гліцерин 1,485.
Найбільш низькою в'язкістю має рідкий гелій. При температурі 2,172 До він перетворюється на надплинний стан, у якому в'язкість дорівнює нулю (дивись Надплинність). В'язкість газів у сотні разів менша, ніж в'язкість звичайних рідин. В'язкість розплавлених металів за порядком величини близька до в'язкості звичайних рідин.
Високу в'язкість мають розчини і розплави полімерів. В'язкість навіть розведених розчинів полімерів істотно вища, ніж в'язкість низькомолекулярних сполук. Це пов'язано з тим, що розміри полімерних макромолекул настільки великі, що різні ділянки однієї і тієї ж макромолекули виявляються в шарах, що рухаються з різними швидкостями, що викликає додатковий опір. В'язкість більш концентрованих розчинів полімерів стає ще вищою через переплутаність макромолекул між собою. На вимірі в'язкості розчинів заснований один із способів оцінки молекулярної маси полімерів.
Наявність у розчинах полімерів просторових структур, що утворюються зчепленням макромолекул, призводить до виникнення так званої структурної в'язкості, яка (на відміну від в'язкості ньютонівських рідин) залежить від напруги (або швидкості) зсуву (див. Реологія). При перебігу структурованої рідини робота зовнішніх силвитрачається як на подолання внутрішнього тертя, а й у руйнування структури.
Літ.: Ландау Л. Д., Ахієзер А. І., Ліфшиц Е. М. Курс загальної фізики. Механіка та молекулярна фізика. 2-ге вид. М., 1969; Філіппова О. Е., Хохлов А. Р. В'язкість розведених розчинів полімерів. М., 2002; Шрамм Г. Основи практичної реології та реометрії. М., 2003.
У стані рівноваги різні фазиречовини перебувають у спокої щодо одне одного. При їхньому відносному русі з'являються сили гальмування (в'язкість), які прагнуть зменшити відносну швидкість. Механізм в'язкості можна звести до обміну імпульсом упорядкованого переміщення молекул між різними шарами в газах та рідинах. Виникнення сил в'язкого тертя в газах та рідинах відносять до процесів перенесення. В'язкість твердих тіл має низку істотних особливостей і розглядається окремо.
ВИЗНАЧЕННЯ
Кінематичну в'язкістьвизначають як відношення динамічної в'язкості () до густини речовини. Позначають її літерою (ню). Тоді математично визначення кінематичного коефіцієнта в'язкості запишемо як:
де - Щільність газу (рідини).
Так як у виразі (1) щільність речовини знаходиться в знаменнику, то, наприклад, розріджене повітря при тиску 76 мм рт. ст. і температурі 0 o C має кінематичну в'язкість у два рази більшу, ніж гліцерин.
Кінематична в'язкість повітря при нормальних умовахчасто вважається рівною, тому при русі в атмосфері застосовують закон Стокса, коли добуток радіусу тіла (см) на його швидкість () не перевищує 0,01.
Кінематична в'язкість води при нормальних умовах часто вважається порядком , тому при русі у воді застосовують закон Стокса, коли добуток радіусу тіла (см) на його швидкість () не перевищує 0,001.
Кінематична в'язкість та числа Рейнольдса
Числа Рейнольдса (Re) виражають за допомогою кінематичної в'язкості:
де - Лінійні розміри тіла, що рухається в речовині, - швидкість руху тіла.
Відповідно до виразу (2) для тіла, що рухається з незмінною швидкістю число зменшується, якщо кінематична в'язкість зростає. Якщо число Re невелике, то лобовому опорі сили в'язкого тертя переважають над силами інерції. І навпаки, великі числаРейнольдса, які спостерігаються при малих кінематичних в'язкості, вказують на пріоритет сил інерції над тертям.
Число Рейнольдса мало при заданому значенні кінематичної в'язкості, коли малі розміри тіла та швидкість його руху.
Одиниці виміру кінематичного коефіцієнта в'язкості
Основною одиницею виміру кінематичної в'язкості в системі СІ є:
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Металева кулька (щільність її дорівнює) рівномірно опускається в рідини (щільність рідини дорівнює кінематична в'язкість). При якому максимально можливому діаметрі кульки його обтікання залишиться ламінарним? Вважайте, що перехід до турбулентного обтікання відбувається за Re=0,5. За характерний розмір прийняти діаметр кульки. |
| Рішення | Зробимо малюнок Використовуючи другий закон Ньютона, отримаємо вираз: де сила Архімеда, сила в'язкого тертя. У проекції на вісь Y рівняння (1.1) набуде вигляду: При цьому маємо: При цьому:
Підставимо результати (1.3)- (1.5) у (1.2), маємо: Число Рейнольдса визначено у нашому випадку як:
|
У промисловості, наукової діяльностічасто необхідно обчислити коефіцієнт в'язкості рідини. Робота зі звичайними або дисперсними середовищами у вигляді аерозолів, газових емульсій потребує знань про фізичні властивості цих речовин.
Що таке в'язкість рідини?
Ще Ньютон започаткував таку науку, як реологія. Ця галузь займається вивченням опору речовини під час руху, т. е. в'язкості.
У рідинах та газах відбувається безперервна взаємодія молекул. Вони ударяються один про одного, відштовхуються або просто пролітають повз. У результаті шари речовини хіба що взаємодіють друг з одним, надаючи швидкість кожному їх. Явище подібної взаємодії молекул рідин/газів і називається в'язкістю, або внутрішнім тертям.
Щоб краще розглянути цей процес, необхідно продемонструвати досвід із двома пластинками, між якими знаходиться рідке середовище. Якщо рухати верхню пластинку, то шар рідини, що «прилип» до неї, також почне рухатися з певною швидкістю v1. Через короткий проміжок часу помічаємо, що шари рідини, що нижчележать, також починають рухатися по тій же траєкторії зі швидкістю v2, v3 ... vn і т. д., причому v1> v2, v3 ... vn. Швидкість найнижчого з них залишається нульовою.
На прикладі газу такий досвід провести практично неможливо, тому що сили взаємодії молекул одна з одною дуже малі, і візуально це зареєструвати не вдасться. Тут теж говорять про шари, швидкість руху цих шарів, тому в газоподібних середовищах також існує в'язкість.
Ньютонівські та неньютонівські середовища
Ньютонівська рідина – це така рідина, в'язкість якої можна вирахувати за допомогою формули Ньютона.
До таких середовищ відносяться вода та розчини. p align="justify"> Коефіцієнт в'язкості рідини в таких середовищах може залежати від таких факторів, як температура, тиск або будова атома речовини, проте градієнт швидкості завжди залишиться незмінним.
Неньютонівські рідини - це такі середовища, в яких згадане вище значення може змінюватися, а значить, формула Ньютона тут не діятиме. До таких речовин відносяться всі дисперсні середовища (емульсії, аерозолі, суспензії). Сюди належить і кров. Про це детальніше поговоримо далі.
Кров як внутрішнє середовище організму
Як відомо, 80% крові становить плазма, яка має рідкий агрегатний стан, а решта 20% - це еритроцити, тромбоцити, лейкоцити та різні включення. Еритроцити людини мають діаметр 8 нм. У нерухомому стані вони формують агрегати у вигляді монетних стовпчиків, при цьому суттєво підвищують в'язкість рідини. Якщо струм крові активний, ці «конструкції» розпадаються, а внутрішнє тертя відповідно зменшується.
Коефіцієнти в'язкості середовища
Взаємодія шарів середовища один на одного позначається на характеристиках усієї системи рідини чи газу. В'язкість – це один із прикладів такого фізичного явища, як тертя. Завдяки їй верхні та нижні шари середовища поступово вирівнюють швидкості свого струму, і зрештою вона прирівнюється до нуля. Також в'язкість можна характеризувати як опір одного шару середовища іншому.
Для опису таких явищ виділяють дві якісні характеристики внутрішнього тертя:
- динамічний коефіцієнт в'язкості (динамічна в'язкість рідини);
- кінетичний коефіцієнт в'язкості (кінетична в'язкість).
Обидві величини пов'язані рівнянням υ = η/ρ, де ρ – щільність середовища, υ – кінетична в'язкість, а η – динамічна в'язкість.
Методи визначення в'язкості рідини
Віскозиметрія – це вимір в'язкості. на сучасному етапірозвитку науки знайти значення в'язкості рідини практичним шляхом можна чотирма способами:
1. Капілярний метод. Для його проведення необхідно мати дві судини, з'єднані скляним каналом невеликого діаметру відомої довжини. Також потрібно знати значення тиску в одній посудині та іншій. Рідина міститься у скляний канал, і за певний проміжок часу вона перетікає з однієї колби до іншої.
Подальші підрахунки проводяться за допомогою формули Пуазейля для знаходження значення в'язкості коефіцієнта рідини.
Насправді рідкі середовища можуть бути розпечені до 200-300 градусів суміші. Звичайна скляна трубка в таких умовах просто деформувалася або навіть луснула, що неприпустимо. Сучасні капілярні віскозиметри зібрані з якісного та стійкого матеріалу, який легко переживає такі навантаження.
2. Медичний метод з Гессе. Щоб розрахувати в'язкість рідини у такий спосіб, необхідно мати не одну, а дві ідентичні капілярні установки. В одну з них поміщають середовище із заздалегідь відомим значеннямвнутрішнього тертя, а в іншу – досліджувану рідину. Далі вимірюють два значення часу і становлять пропорцію, якою виходять на потрібне число.
3. Ротаційний метод. Для його проведення необхідно мати конструкцію із двох співвісних циліндрів. Це означає, що один із них має бути всередині іншого. У проміжок між ними заливають рідину, а потім надають швидкість внутрішнього циліндра. Ця кутова швидкість також повідомляється рідини. Різниця в силі моменту дозволяє обчислити в'язкість середовища.
4. Визначення в'язкості рідини шляхом Стокса. Для цього досвіду необхідно мати віскозиметр Гепплера, який є циліндр, заповнений рідиною. Перед початком експерименту роблять дві позначки на циліндрі та вимірюють довжину між ними. Потім беруть кульку певного радіусу R і опускають її в рідке середовище. Щоб визначити швидкість його падіння, знаходять час пересування об'єкта від однієї позначки до іншої. Знаючи швидкість руху кульки, можна обчислити в'язкість рідини.
Практичне застосування віскозиметрам
Визначення в'язкості рідини має велике практичне значення у нафтопереробній промисловості. При роботі з багатофазними, дисперсними середовищами важливо їх знати Фізичні властивості, особливо внутрішнє тертя. Сучасні віскозиметри виготовлені з міцних матеріалів, при їх виробництві задіяні передові технології. Все це в сукупності дозволяє працювати з високою температуроюта тиском без шкоди для самого обладнання.
В'язкість рідини відіграє велику роль у промисловості, тому що транспортування, переробка та видобуток, наприклад, нафти залежать від значень внутрішнього тертя рідинної суміші.
Яку роль грає в'язкість у медичному устаткуванні?
Надходження газової суміші через ендотрахеальну трубку залежить від внутрішнього тертя цього газу. Зміна значень в'язкості середовища тут по-різному відбивається на проникненні повітря через апарат і залежить від складу газової суміші.
Вступ лікарських препаратів, вакцин через шприц також є яскравим прикладомдії в'язкості середовища. Йдеться про перепади тиску на кінці голки при впорскуванні рідини, хоча спочатку вважали, що цим фізичним явищем можна знехтувати. Виникнення високого тискуна наконечнику – це результат дії внутрішнього тертя.
Висновок
В'язкість середовища - це одна з фізичних величиняка має велике практичне застосування. У лабораторії, промисловості, медицині - у всіх цих галузях поняття внутрішнього тертя фігурує дуже часто. Робота найпростішого лабораторного обладнання може залежати від ступеня в'язкості середовища, яке використовується для досліджень. Навіть переробна промисловість не обходиться без знань у галузі фізики.
