Выбор моторного масла – серьезная задача для каждого автолюбителя. И главный параметр, по которому должен осуществляться подбор – это вязкость масла. Вязкость масла характеризует степень густоты моторной жидкости и ее способность сохранять свои свойства при температурных перепадах.
Попробуем разобраться, в каких единицах должна измеряться вязкость, какие функции она выполняет и почему она играет огромную роль в работе всей двигательной системы.
Работа двигателя внутреннего сгорания предполагает непрерывное взаимодействие его конструктивных элементов. Представим на секунду, что мотор работает “на сухую”. Что с ним произойдет? Во-первых, сила трения повысит температуру внутри устройства. Во-вторых, произойдет деформация и износ деталей. И, наконец, все это приведет к полной остановке ДВС и невозможности его дальнейшего использования. Правильно подобранное моторное масло выполняет следующие функции:
- защищает мотор от перегрева,
- предотвращает быстрый износ механизмов,
- препятствует образованию коррозии,
- выводит нагар, сажу и продукты сгорания топлива за пределы двигательной системы,
- способствует увеличению ресурса силового агрегата.
Таким образом, нормальное функционирование моторного отдела без смазывающей жидкости невозможно.
Важно! Заливать в мотор транспортного средства нужно только то масло, вязкость которого соответствует требованиям автопроизводителей. В этом случае коэффициент полезного действия будет максимальным, а износ рабочих узлов – минимальным. Доверять мнениям продавцов-консультантов, друзей и специалистов автосервисов, если они расходятся с инструкцией к автомобилю, не стоит. Ведь только производитель может знать наверняка, чем стоит заправлять мотор.
Индекс вязкости масла
Понятие вязкости масел подразумевает способность жидкости к тягучести. Определяется она с помощью индекса вязкости. Индекс вязкости масла – это величина, показывающая степень тягучести масляной жидкости при температурных изменениях. Смазки, имеющих высокую степень вязкости, обладают следующими свойствами:
- при холодном запуске двигателя защитная пленка имеет сильную текучесть, что обеспечивает быстрое и равномерное распределение смазки по всей рабочей поверхности;
- нагрев двигателя вызывает увеличение вязкости пленки. Такое свойство позволяет удерживать защитную пленку на поверхностях движущихся деталей.
Т.е. масла с высоким значением индекса вязкости легко адаптируются под температурные перегрузки, в то время как низкий индекс вязкости моторного масла свидетельствует о меньших способностях. Такие вещества имеют более жидкое состояние и образуют на деталях тонкую защитную пленку. В условиях отрицательных температур моторная жидкость с низким индексом вязкости затруднит пуск силового агрегата, а при высокотемпературных режимах не сможет предотвратить большую силу трения.
Расчет индекса вязкости осуществляется по ГОСТу 25371-82. Рассчитать его можно с помощью онлайн-сервисов сети Интернет.
Кинематическая и динамическая вязкости
Степень тягучести моторного материала определяется двумя показателями – кинематической и динамической вязкостями.
Моторное масло
Кинематическая вязкость масла – показатель, отображающий его текучесть при нормальных (+40 градусов Цельсия) и высоких (+100 градусов Цельсия) температурах. Методика измерения данной величины основывается на использовании капиллярного вискозиметра. При помощи прибора измеряется время, требуемое для истечения масляной жидкостипри заданных температурах. Измеряется кинематическая вязкость в мм 2 /с.
Динамическая вязкость масла также вычисляется опытным путем. Она показывает силу сопротивления масляной жидкости, возникающий во время движения двух слоев масла, удаленных друг от друга на расстоянии 1 сантиметра и движущихся со скоростью 1 см/с. Единицы измерения данной величины – Паскаль-секунды.
Определение вязкости масла должно проходить в разных температурных условиях, т.к. жидкость не стабильна и изменяет свои свойства при низких и высоких температурах.
Таблица вязкости моторных масел по температуре представлена ниже.
Расшифровка обозначения моторного масла
Как отмечалось ранее, вязкость – это основной параметр защитной жидкости, характеризующий ее способность обеспечивать работоспособность автомобиля в различных климатических условиях.
Согласно международной системе классификации SAE, моторные смазки могут быть трех видов: зимние, летние и всесезонные.
Масло, предназначенное для зимнего использования, маркируется цифрой и буквой W, например, 5W, 10W, 15W. Первый символ маркировки указывает на диапазон отрицательных рабочих температур. Буква W – от английского слова “Winter” – зима – информирует покупателя о возможности использования смазки в суровых низкотемпературных условиях. Она имеет большую текучесть, чем летний аналог, для того, чтобы обеспечить легкий запуск при низких температурах. Жидкая пленка мгновенно обволакивает холодные элементы и облегчает их прокрутку.
Предел отрицательных температур, при которых масло сохраняет работоспособность следующий: для 0W – (-40) градусов Цельсия, для 5W – (-35) градусов, для 10W – (-25) градусов, для 15W – (-35) градусов.
Летняя жидкость имеет высокую вязкость, позволяющую пленке крепче “держаться” на рабочих элементах. В условиях слишком высоких температур такое масло равномерно растекается по рабочей поверхности деталей и защищает их от сильного износа. Обозначается такое масло цифрами, например, 20,30,40 и т.д. Данная цифра характеризует высокотемпературный предел, в котором жидкость сохраняет свои свойства.
Важно! Что означают цифры? Цифры летнего параметра ни в коем случае не означают максимальную температуру, при которой возможна работа автомобиля. Они – условные, и к градусной шкале отношения не имеют.
Масло с вязкостью 30 нормально функционирует при температуре окружающей среды до +30 градусов по Цельсию, 40 – до +45 градусов, 50 – до +50 градусов.
Распознать универсальное масло просто: его маркировка включает две цифры и букву W между ними, например, 5w30. Его использование подразумевает любые климатические условиях, будь то суровая зима или жаркое лето. В обоих случаях, масло будет подстраиваться под изменения и сохранять работоспособность всей двигательной системы.
Кстати, климатический диапазон универсального масла определяется просто. Например, для 5W30 он варьируются в пределах от минус 35 до +30 градусов Цельсия.
Всесезонные масла удобны в использовании, поэтому на прилавках автомагазинов они встречаются чаще летних и зимних вариантов.
Для того чтобы иметь более полное представление о том, какая вязкость моторного масла уместна в вашем регионе, ниже представлена таблица, показывающая диапазон рабочих температур для каждого типа смазывающей жидкости.
Усредненные диапазоны работоспособности масел
Разобравшись, что означают цифры в вязкости масла перейдем к следующему стандарту. Классификация моторного масла по вязкости затрагивает также стандарт API. В зависимости от типа двигателя, обозначение API начинается с буквы S или C. S подразумевает бензиновые моторы, С – дизельные. Вторая буква классификации указывает на класс качества моторного масла. И чем дальше эта буква находится от начала алфавита, тем лучше качество защитной жидкости.
Для бензиновых двигательных систем существую следующие обозначения:
- SC –год выпуска до 1964 г.
- SD –год выпуска с 1964 по 1968 гг.
- SE –год выпуска с 1969 по 1972 гг.
- SF –год выпуска с 1973 по 1988 гг.
- SG –год выпуска с 1989 по 1994 гг.
- SH –год выпуска с 1995 по 1996 гг.
- SJ –год выпуска с 1997 по 2000 гг.
- SL –год выпуска с 2001 по 2003 г.
- SM –год выпуска после 2004 г.
- SN –авто, оборудованные современной системой нейтрализации выхлопных газов.
Для дизельных:
- CB –год выпуска до 1961 г.
- CC –год выпускадо 1983 г.
- CD –год выпускадо 1990 г.
- CE –год выпускадо 1990 г., (турбированный мотор).
- CF –год выпускас 1990 г., (турбированный мотор).
- CG-4 –год выпускас 1994 г., (турбированный мотор).
- CH-4 –год выпускас 1998 г.
- CI-4 – современные авто (турбированный мотор).
- CI-4 plus – значительно выше класс.
Что одному двигателю хорошо, то другому грозит ремонтом
Моторное масло
Многие автовладельцы уверены, что выбирать стоит более вязкие масла, ведь они – залог долговечной работы двигателя. Это серьезное заблуждение. Да, специалисты заливают под капоты гоночных болидов масло с большой степенью тягучести для достижения максимального ресурса силового агрегата. Но обычные легковые машины оборудованы другой системой, которая попросту захлебнется при чрезмерной густоте защитной пленки.
О том, какую вязкость масла допустимо использовать в двигателе той или иной машины, описано в любом руководстве по эксплуатации.
Ведь до запуска массовых продаж моделей, автопроизводители проводили большое количество тестов, учитывая возможные режимы езды и эксплуатацию технического средства в различных климатических условиях. Благодаря анализу поведения мотора и его способности поддерживать стабильную работу в тех или иных условиях, инженеры устанавливали допустимые параметры моторной смазки. Отклонение от них может спровоцировать снижение мощности двигательной системы, ее перегрев, увеличение расхода топлива и многое другое.
Моторное масло в двигателе
Почему класс вязкости так важен в работе механизмов? Представьте на минуту мотор изнутри: между цилиндрами и поршнем есть зазор, величина которого должна допускать возможное расширение деталей от высокотемпературных перепадов. Но для максимального коэффициента полезного действия этот зазор должен иметь минимальное значение, предотвращая попадание в двигательную систему выхлопных газов, образующихся во время горения топливной смеси. Для того, чтобы корпус поршня не нагревался от соприкосновения с цилиндрами, и используется моторная смазка.
Уровень вязкости масла должен обеспечивать работоспособность каждого элемента двигательной системы. Производители силовых агрегатов должны добиться оптимального соотношения минимального зазора между трущимися деталями и масляной пленой, предотвращая преждевременный износ элементов и повышая рабочий ресурс двигателя. Согласитесь, доверять официальным представителям автомобильной марки безопаснее, зная, каким путем эти знания были получены, чем верить “опытным” автомобилистам, полагающимся на интуицию.
Что происходит в момент запуска двигателя?
Если ваш “железный друг” простоял всю ночь на морозе, то наутро показатель вязкости залитого в него масла будет в несколько раз выше расчетной рабочей величины. Соответственно, толщина защитной пленки будет превышать зазоры между элементами. В момент запуска холодного мотора происходит падение его мощности и повышение температуры внутри него. Таким образом, возникает прогрев мотора.
Важно! Во время прогрева нельзя давать ему повышенную нагрузку. Слишком густой смазочный состав затруднит движение основных механизмов и приведет к сокращению срока эксплуатации автомобиля.
Вязкость моторного масла в рабочих температурах
После того, как двигатель прогрелся, активируется система охлаждения. Один цикл работы двигателя выглядит следующим образом:
- Нажим на педаль газа повышает обороты мотора и увеличивает нагрузку на него, в результате чего увеличивается сила трения деталей (т.к. слишком вяжущая жидкость еще не успела попасть в междетальные зазоры),
- температура масла повышается,
- степень его вязкости снижается (увеличивается текучесть),
- толщина масляного слоя уменьшается (просачивается в междетальные зазоры),
- сила трения снижается,
- температура масляной пленки снижается (частично с помощью охлаждающей системы).
По такому принципу работает любая двигательная система.
Вязкость моторных масел при температуре – 20 градусов
Зависимость вязкости масла от рабочей температуры очевидна. Так же, как очевидно то, что высокий уровень защиты мотора не должен снижаться в течение всего периода эксплуатации. Малейшее отклонение от нормы может привести к исчезновению моторной пленки, что в свою очередь негативно отразится на “беззащитной” детали.
Каждый двигатель внутреннего сгорания, хоть и имеет схожую конструкцию, но обладает уникальным набором потребительских свойств: мощностью, экономичностью, экологичностью и величиной крутящего момента. Объясняются эти различия разницей моторных зазоров и рабочих температур.
Для того, чтобы максимально точно подобрать масло для транспортного средства, были разработаны международные классификации моторных жидкостей.
Предусмотренная стандартом SAE классификация информирует автовладельцев об усредненном диапазоне рабочих температур. Более четкие представления о возможности использования смазочной жидкости в определенных автомобилях дают классификации API, ACEA и т.д.
Последствия заливки масла повышенной вязкости
Бывают случаи, когда автовладельцы, не знают, как определить требуемую вязкость моторного масла для своего автомобиля, и заливают то, которое советуют продавцы. Что случится, если тягучесть окажется выше требуемой?
Если в хорошо прогретом двигателе “плещется” масло с завышенной тягучестью, то для мотора опасности не возникает (при нормальных оборотах). В этом случае, просто повысится температура внутри агрегата, что приведет к снижению вязкости смазки. Т.е. ситуация придет в норму. Но! Регулярное повторение данной схемы заметно снизит моторесурс.
Если резко “дать газу”, вызвав увеличение оборотов, степень вязкости жидкости не будет соответствовать температуре. Это приведет к превышению максимально допустимой температуры в моторном отсеке. Перегрев вызовет повышение силы трения и снижение износостойкости деталей. Кстати, само масло также потеряет свои свойства за достаточно короткий промежуток времени.
О том, что вязкость масла не подошла транспортному средству, моментально узнать вы не сможете.
Первые “симптомы” появятся лишь через 100-150 тысяч км пробега. И главным показателем станет увеличение зазоров между деталями. Однако, определенно связать завышенную вязкость и быстрое снижение ресурса мотора не смогут даже опытные специалисты. Именно по этой причине официальные автомастерские зачастую пренебрегают требованиями производителей транспортных средств. К тому же им выгодно производить ремонт силовых агрегатов автомобилей, у которых уже закончился срок гарантийного обслуживания. Вот почему выбор степени вязкости масла – сложная задача для каждого автолюбителя.
Слишком низкая вязкость: опасна ли она?
Моторное масло
Погубить бензиновые и дизельные двигатели может низкая степень вязкости. Этот факт объясняется тем, что при повышенных рабочих температурах и нагрузках на мотор текучесть обволакивающей пленки повышается, в результате чего не без того жидкая защита попросту “обнажает” детали. Результат: повышение силы трения, увеличение расхода ГСМ, деформация механизмов. Долгая эксплуатация автомобиля с залитой низковязкостной жидкостью невозможна – его заклинит практически сразу.
Некоторые современные модели моторов предполагают использование так называемых “энергосберегающих” масел, имеющих пониженную вязкость. Но использовать их можно только если имеются специальные допуски автопроизводителей: ACEA A1, B1 и ACEA A5, B5.
Стабилизаторы густоты масла
Из-за постоянных температурных перегрузок вязкость масла постепенно начинает уменьшается. И помочь восстановить ее могут специальные стабилизаторы. Их допустимо использовать в двигателях любого типа, износ которых достиг среднего или высокого уровня.
Стабилизаторы позволяют:
Стабилизаторы
- увеличивать вязкость защитной пленки,
- снижать количество нагара и отложений на цилиндрах мотора,
- сокращать выброс вредных веществ в атмосферу,
- восстанавливать защитный масляный слой,
- достигать «бесшумности» в работе двигателя,
- предотвращать процессы окисления внутри корпуса мотора.
Использование стабилизаторов позволяет не только увеличить срок между «масляными» заменами, но и восстановить утраченные полезные свойства защитного слоя.
Разновидности специальных смазок, применяемых на производствах
Смазка веретенного машинного вида обладает низковязкостными свойствами. Использование такой защиты рационально на моторах, имеющих слабую нагрузку и работающих на больших скоростях. Чаще всего, применяется такая смазка в текстильном производстве.
Турбинная смазка. Ее главная особенность заключается защите всех работающих механизмов от окисления и преждевременного износа. Оптимальная вязкость турбинного масла позволяет использовать его в турбокомпрессорных приводах, газовых, паровых и гидравлических турбинах.
ВМГЗ или всесезонное гидравлическое загущенное масло. Такая жидкость идеально подходит для техники, используемой в районах Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Востока. Предназначено такое масло двигателям внутреннего сгорания, оборудованным гидравлическими приводами. ВМГЗ не подразделяется на летние и зимние масла, потому что его применение подразумевает только низкотемпературный климат.
В качестве сырья для гидромасла выступают маловязкие компоненты, содержащие минеральную основу. Для того, чтобы масло достигло нужной консистенции, в него добавляют специальные присадки.
Вязкость гидравлического масла представлена в таблице ниже.
ОйлРайт – еще одна смазка, применяемая для консервации и обработки механизмов. Она имеет водостойкую графитовую основу и сохраняет свои свойства в диапазоне температур от минус 20 градусов Цельсия до плюс 70 градусов Цельсия.
Выводы
Однозначного ответа на вопрос: “какая вязкость моторного масла самая хорошая?” нет и не может быть. Все дело в том, что нужная степень тягучести для каждого механизма – будь то ткацкий станок или мотор гоночного болида – своя, и определить ее “наобум” нельзя. Требуемые параметры смазывающих жидкостей вычисляются производителями опытным путем, поэтому при выборе жидкости для своего транспортного средства в первую очередь руководствуетесь указаниями разработчика. А уже после этого вы можете обратиться к таблице вязкости моторных масел по температуре.
Вязкость - это свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Вязкость - свойство, присущее как капельным жидкостям, так и газам, которое проявляется только при движении, не может быть обнаружено при покое, и проявляется в виде внутреннего трения при перемещении смежных частиц жидкости. Вязкость характеризует степень текучести жидкости и подвижности ее частиц. Вязкостью жидкостей объясняется сопротивление и потери напор, которое возникает при движении их по трубам, каналам и прочим руслам, а также при движении в них инородных тел.
Изучение свойств внутреннего трения жидкости активно занимался Исаак Ньютон , заложив основы учению о вязкости. Ньютон высказал предположение (впоследствии подтвержденное опытом), что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. В итоге, И. Ньютон получил зависимость, характеризующую связь вязкости с явлением внутреннего трения, получившую название одноименного закона.
Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными слоями. Каждый слой будет двигаться со своей скоростью, причем скорость слоев будет увеличиваться по мере отдаления от стенки.
Рассмотрим два слоя жидкости, движущиеся на расстоянии Δy друг от друга. Поскольку между слоями присутствует сила трения и благодаря взаимному торможению различные слои имеют различные скорости, и слой А движется со скоростью v, а слой Б - со скоростью (v+Δv). Величина Δv является абсолютным сдвигом слоя А по слою Б, а величина Δv/Δy - относительным сдвигом, или градиентом скорости. Тогда при движении возникает касательное напряжение τ (тау), которое характеризует трение на единицу площади (напряжением внутреннего трения) .
Напряжение внутреннего трения имеет физический смысл зависимости:
где F тр - сила внутреннего трения, Н; S - площадь соприкосновения поверхностей, м 2 .
Тогда согласно закону Ньютона зависимость между напряжением и относительным сдвигом будет иметь вид:
т.е. напряжение внутреннего трения пропорционального градиенту скорости.
Коэффициент пропорциональности µ (мю) называется динамическим коэффициентом вязкости . Из формулы видно, что динамический коэффициент вязкости численно равен напряжению внутреннего трения в том случае, когда относительная скорость двух плоскостей А и Б, отстоящих друг от друга на расстоянии 1 м, равна 1м/с.
Размерность динамического коэффициента вязкости следует из формулы. Так как напряжение τ есть сила, отнесенная к единице площади, то его размерность равна:
Размерность градиента скорости:
Отсюда размерность динамического коэффициента вязкости:
Таким образом, за единицу измерения динамической вязкости в системе единиц СИ принимают:
В физической системе единицей динамической вязкости является пуаз, обозначается «П »:
Динамическая вязкость у капельных жидкостей, молекулы которых расположены весьма близко друг к другу, при повышении температуры уменьшается в связи с увеличением скорости броуновского движения, ос-лабляющего удерживающие связи, то есть силы сцепления.
Зависимость коэффициента μ от температуры в общем виде выражается формулой:
где - значение при t = 0°C; а и b - опытные коэффициенты, зависящие от физико-химических свойств (от рода) жидкости; t - температура жидкости в °С.
У газов силы притяжения между молекулами проявляют себя только при сильном сжатии, а в обычных условиях молекулы газов находятся в состоянии хаотичного теплового движения и трение слоев газа друг о друга происходит только вследствие столкновения молекул. При повышении температуры скорость молекул возрастает, растет число их столкновений и вязкость возрастает.
Для пресной воды Пуазейлем получена формула:
Для воздуха известна формула Милликена:
В гидравлике для характеристики вязких свойств газов и паров иногда вместо динамического употребляется другой коэффициент вязкости, обозначаемый буквой η (эта) и связанный с динамическим коэффициентом уравнением
где g - ускорение силы тяжести, м/с 2 .
Очевидно, этот коэффициент вязкости η имеет размерность:
При этом единицей измерения η в технической системе единиц является
В гидравлике и на производстве широко применяется так называемый кинематический коэффициент вязкости ν (ню), определяемый как отношение динамической вязкости к плотности:
Размерность кинематического коэффициента вязкости:
В системе СИ для ν принята единица: .
Единицей измерения коэффициента ν в физической системе служит стокс, обозначается «Ст »:
Например, кинематический коэффициент вязкости воды равен
Величину, обратную динамической вязкости называют текучестью .
Вязкость для всех капельных жидкостей убывает с повы-шением температуры. Для получения точных гидравлических расчетов рекомендуется иметь график (или таблицу) зависимости вязкости от температуры, построенный на основе спе-циальных определений в лаборатории. Весьма осторожно следует относиться к различного рода номограммам и формулам, служащим для определения вязкости смеси двух или нескольких различных нефтепродуктов.
График, характеризующий зависимость изменения вязкости жидкости от температуры называется вискограммой (Рис. 1.3).
Рис.1.3. Вискограмма
Для определения вязкости жидкости при любой произвольной температуре T с достаточной точностью используется формула Рейнольдса-Филонова:
где ν - вязкость при известной температуре Т , u - коэффициент крутизны вискограммы, который характеризует угол наклона касательной вискограммы к оси абсцисс (Рис. 1.4) и определяется по формуле:
Рис.1.4 Определение коэффициента крутизны вискограммы
Таким образом, можно охарактеризовать любую жидкость и определить ее вязкость при любой температуре, зная координаты двух произвольных точек вискограммы. Стоит заметить, что для капельных жидкостей коэффициент вискограммы положителен, однако существуют жидкости, у которых вязкость мало изменяется при изменении температуры, для газообразных - коэффициент вискограммы отрицателен. Существуют жидкости, вязкость которых мало зависит от температуры, они представляют собой сложные химические соединения и используются в качестве рабочих в гидравлических машинах, например в вискомуфтах.
Существуют жидкости, для которых закон И. Ньютона неприменим. В отличие от обычных, ньютоновских, эти жидкости называют неньютоновскими , или аномальными.
Значения кинематической вязкости ν воды и воздуха
Вязкость различных сортов жидкости одного названия, например, нефти, в зависимости от химического состава и молекулярного строения может иметь различные значения.
Для вязких нефтей средние значения u = 0,05 + 0,1 на 1°С.
Вязкость жидкостей, как показывают опыты, зависит также от давления. При возрастании давления она обычно увеличивается. Исключением является вода, для которой при температуре до 32° С с повышением давления вязкость уменьшается. При давлениях, встречающихся в практике (до 20 МПа), изменение вязкости жидкостей весьма мало и при обычных гидравлических расчетах не учитывается.
ВЯЗКОСТЬ, свойство жидкости (или газа) оказывать сопротивление течению.
Вязкость рассматривают также как одно из переноса явлений, определяющее диссипацию энергии при деформации среды. Вязкость твёрдых тел обладает рядом особенностей и рассматривается обычно отдельно (смотри Внутреннее трение).
При ламинарном движении жидкости между двумя плоскопараллельными пластинами, одна из которых неподвижна, а другая движется со скоростью ν, молекулярный слой, непосредственно примыкающий к нижней пластине, остаётся неподвижным, а слой, примыкающий к верхней пластине, будет двигаться с максимальный скоростью (рис.). Течение жидкости характеризуется градиентом скорости γ?= dv/dz, указывающим на быстроту изменения скорости от слоя к слою в направлении, перпендикулярном движению жидкости. Если скорость изменяется линейно, то γ?= v/d, где d - расстояние между пластинами. Величину γ называют также скоростью сдвига.
Согласно основному закону вязкого течения, установленному И. Ньютоном (опубликован в 1687), напряжение сдвига τ = F/S, вызывающего течение жидкости, пропорционально градиенту скорости течения: τ = ηγ?. Коэффициентом пропорциональности η называется коэффициент динамической вязкости, или просто вязкость. Он характеризует сопротивление жидкости течению. Вязкость также можно рассматривать как меру энергии, рассеиваемой в форме теплоты в процессе течения жидкости. Рассеяние энергии происходит вследствие переноса количества движения. Величины коэффициента вязкости и мощности W, рассеиваемой в единице объёма за счёт вязкости, связаны соотношением: W = ηγ? 2 .
Соотношение, установленное Ньютоном, справедливо только в том случае, когда η не зависит от скорости сдвига. Среды, в которых выполняется это условие, называются ньютоновскими (смотри Ньютоновская жидкость).
Единицей измерения динамической вязкости в СИ является Па·с [в СГС - пуаз (дин·с/см 2): 1 пуаз = 0,1 Па·с]. Величина φ= 1/η, обратная вязкости, называется текучестью. Также часто рассматривают кинематическую вязкость ν = η/ρ (где ρ - плотность вещества), измеряемую в м 2 /с (СИ) и стоксах (СГС). Вязкость жидкостей и газов измеряется при помощи вискозиметров (смотри Вискозиметрия).
Вязкость идеальных газов определяется соотношением: η = (1/3)mn??, где m - масса молекулы, n - число молекул в единице объёма, ? - средняя скорость молекул, ? - длина свободного пробега молекулы.
Вязкость газов увеличивается при нагревании, а вязкость жидкостей, наоборот, уменьшается. Это связано с различными молекулярными механизмами вязкости в этих системах. Различают два механизма переноса количества движения: кинетический (не предполагающий столкновений между молекулами) и столкновительный. Первый является преобладающим в разреженном газе, второй - в плотном газе и жидкости.
В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому вязкость газов - следствие хаотического (теплового) движения молекул, в результате которого молекулы переходят из слоя в слой, замедляя течение. Поскольку средняя скорость молекул? возрастает с повышением температуры, вязкость газов увеличивается при нагревании.
Вязкость жидкостей, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, обусловлена в первую очередь межмолекулярными взаимодействиями, ограничивающими подвижность молекул. С повышением температуры облегчается взаимное перемещение молекул, ослабевают межмолекулярные взаимодействия и, следовательно, уменьшается внутреннее трение жидкости.
Вязкость жидкости определяется размерами и формой молекул, их взаимным расположением и силой межмолекулярных взаимодействий. Вязкость зависит от химической структуры молекул жидкости. Так, вязкость органических веществ возрастает с введением в молекулу полярных групп и циклов. В гомологических рядах (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т. п.) вязкость соединений возрастает с ростом молекулярной массы.
Вязкость растворов зависит от их концентрации и может быть как больше, так и меньше вязкости чистого растворителя. Вязкость предельно разбавленных суспензий линейно зависит от объёмной доли φ взвешенных частиц: η = η 0 (1 +αφ) (формула Эйнштейна), где η 0 - вязкость дисперсионной среды. Коэффициент α зависит от формы частиц; в частности, для сферических частиц α = 2,5. Аналогичная зависимость вязкости от объёмной доли наблюдается в растворах глобулярных белков.
Вязкость может изменяться в широких пределах. Далее приведены значения вязкости некоторых жидкостей и газов при температуре 20°С (в 10 -3 Па·с): газы - водород 0,0088, азот 0,0175, кислород 0,0202; жидкости - вода 1,002, этиловый спирт 1,200, ртуть 1,554, нитробензол 2,030, глицерин 1,485.
Наиболее низкой вязкостью обладает жидкий гелий. При температуре 2,172 К он переходит в сверхтекучее состояние, в котором вязкость равна нулю (смотри Сверхтекучесть). Вязкость газов в сотни раз меньше, чем вязкость обычных жидкостей. Вязкость расплавленных металлов по порядку величины близка к вязкости обычных жидкостей.
Высокой вязкостью обладают растворы и расплавы полимеров. Вязкость даже разбавленных растворов полимеров существенно выше, чем вязкость низкомолекулярных соединений. Это связано с тем, что размеры полимерных макромолекул настолько велики, что разные участки одной и той же макромолекулы оказываются в слоях, движущихся с разными скоростями, что вызывает дополнительное сопротивление течению. Вязкость более концентрированных растворов полимеров становится ещё выше из-за перепутанности макромолекул между собой. На измерении вязкости растворов основан один из способов оценки молекулярной массы полимеров.
Наличие в растворах полимеров пространственных структур, образуемых сцеплением макромолекул, приводит к возникновению так называемой структурной вязкости, которая (в отличие от вязкости ньютоновских жидкостей) зависит от напряжения (или скорости) сдвига (смотри Реология). При течении структурированной жидкости работа внешних сил затрачивается не только на преодоление внутреннего трения, но и на разрушение структуры.
Лит.: Ландау Л. Д., Ахиезер А. И., Лифшиц Е. М. Курс общей физики. Механика и молекулярная физика. 2-е изд. М., 1969; Филиппова О. Е., Хохлов А. Р. Вязкость разбавленных растворов полимеров. М., 2002; Шрамм Г. Основы практической реологии и реометрии. М., 2003.
В состоянии равновесия разные фазы вещества находятся в покое относительно друг друга. При их относительном движении появляются силы торможения (вязкость), которые стремятся уменьшить относительную скорость. Механизм вязкости можно свести к обмену импульсом упорядоченного перемещения молекул между разными слоями в газах и жидкостях. Возникновение сил вязкого трения в газах и жидкостях относят к процессам переноса. Вязкость твердых тел имеет ряд существенных особенностей и рассматривается отдельно.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Кинематическую вязкость определяют как отношение динамической вязкости () к плотности вещества. Обозначают ее обычно буквой (ню). Тогда математически определение кинематического коэффициента вязкости запишем как:
где — плотность газа (жидкости).
Так как в выражении (1) плотность вещества находится в знаменателе, то, например, разреженный воздух при давлении 7,6 мм рт. ст. и температуре 0 o C имеет кинематическую вязкость в два раза большую, чем глицерин.
Кинематическая вязкость воздуха при нормальных условиях часто считается равной , поэтому при движении в атмосфере применяют закон Стокса, когда произведение радиуса тела (см) на его скорость () не превышает 0,01.
Кинематическая вязкость воды при нормальных условиях часто считается порядка , поэтому при движении в воде применяют закон Стокса, когда произведение радиуса тела (см) на его скорость () не превышает 0,001.
Кинематическая вязкость и числа Рейнольдса
Числа Рейнольдса (Re) выражают при помощи кинематической вязкости:
где — линейные размеры тела, движущегося в веществе, — скорость движения тела.
В соответствии с выражением (2) для тела, движущегося с неизменной скоростью число убывает, если кинематическая вязкость растет. Если число Re небольшое, то в лобовом сопротивлении силы вязкого трения преобладают над силами инерции. И наоборот, большие числа Рейнольдса, которые наблюдаются при малых кинематических вязкостях, указывают на приоритет сил инерции над трением.
Число Рейнольдса мало при заданном значении кинематической вязкости, когда малы размеры тела и скорость его движения.
Единицы измерения кинематического коэффициента вязкости
Основной единицей измерения кинематической вязкости в системе СИ является:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Металлический шарик (плотность его равна ) равномерно опускается в жидкости (плотность жидкости равна кинематическая вязкость ). При каком максимально возможном диаметре шарика его обтекание останется ламинарным? Считайте, что переход к турбулентному обтеканию происходит при Re=0,5. За характерный размер принять диаметр шарика. |
| Решение | Сделаем рисунок
Используя второй закон Ньютона, получим выражение: где — сила Архимеда, — сила вязкого трения. В проекции на ось Y уравнение (1.1) примет вид: При этом имеем: При этом:
Подставим результаты (1.3)- (1.5) в (1.2), имеем: Число Рейнольдса определено в нашем случае как:
|
В промышленности, научной деятельности часто необходимо вычислить коэффициент вязкости жидкости. Работа с обычными или дисперсными средами в виде аэрозолей, газовых эмульсий требует знаний о физических свойствах этих веществ.
Что такое вязкость жидкости?
Еще Ньютон положил начало такой науке, как реология. Эта отрасль занимается изучением сопротивления вещества при движении, т. е. вязкости.
В жидкостях и газах происходит непрерывное взаимодействие молекул. Они ударяются друг о друга, отталкиваются или просто пролетают мимо. В итоге слои вещества как бы взаимодействуют друг с другом, придавая скорость каждому из них. Явление подобного взаимодействия молекул жидкостей/газов и называется вязкостью, или внутренним трением.
Чтобы лучше рассмотреть этот процесс, необходимо продемонстрировать опыт с двумя пластинками, между которыми находится жидкая среда. Если двигать верхнюю пластинку, то «прилипший» к ней слой жидкости также начнет двигаться с определенной скоростью v1. Через короткий промежуток времени замечаем, что нижележащие слои жидкости также начинают двигаться по той же траектории со скоростью v2, v3…vn и т. д., причем v1>v2, v3…vn. Скорость самого нижнего из них остается равна нулю.
На примере газа такой опыт провести практически невозможно, т. к. силы взаимодействия молекул друг с другом очень малы, и визуально это зарегистрировать не удастся. Здесь тоже говорят о слоях, о скорости движения этих слоев, поэтому в газообразных средах также существует вязкость.
Ньютоновские и неньютоновские среды
Ньютоновская жидкость - это такая жидкость, вязкость которой можно высчитать с помощью формулы Ньютона.
К таким средам относятся вода и растворы. Коэффициент вязкости жидкости в таких средах может зависеть от таких факторов, как температура, давление или строение атома вещества, однако градиент скорости всегда останется неизменным.
Неньютоновские жидкости - это такие среды, в которых упомянутое выше значение может изменяться, а значит, формула Ньютона здесь действовать не будет. К таким веществам относятся все дисперсные среды (эмульсии, аэрозоли, суспензии). Сюда же относится и кровь. Об этом более подробно поговорим далее.
Кровь как внутренняя среда организма
Как известно, 80 % крови составляет плазма, которая имеет жидкое агрегатное состояние, а остальные 20 % - это эритроциты, тромбоциты, лейкоциты и различные включения. Эритроциты человека имеют диаметр 8 нм. В неподвижном состоянии они формируют агрегаты в виде монетных столбиков, при этом существенно повышают вязкость жидкости. Если ток крови активен, эти «конструкции» распадаются, а внутреннее трение, соответственно, уменьшается.
Коэффициенты вязкости среды
Взаимодействие слоев среды друг на друга сказывается на характеристиках всей системы жидкости или газа. Вязкость - это один из примеров такого физического явления, как трение. Благодаря ей верхние и нижние слои среды постепенно выравнивают скорости своего тока, и в конечном итоге она приравнивается к нулю. Также вязкость можно характеризовать как сопротивление одного слоя среды другому.
Для описания таких явлений выделяют две качественные характеристики внутреннего трения:
- динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость жидкости);
- кинетический коэффициент вязкости (кинетическая вязкость).
Обе величины связаны уравнением υ = η / ρ, где ρ - плотность среды, υ - кинетическая вязкость, а η - динамическая вязкость.
Методы определения вязкости жидкости
Вискозиметрия - это измерение вязкости. На современном этапе развития науки найти значение вязкости жидкости практическим путем можно четырьмя способами:
1. Капиллярный метод. Для его проведения необходимо иметь два сосуда, соединенных стеклянным каналом небольшого диаметра известной длины. Также нужно знать значения давления в одном сосуде и в другом. Жидкость помещается в стеклянный канал, и за определенный промежуток времени она перетекает из одной колбы в другую.
Дальнейшие подсчеты производятся с помощью формулы Пуазейля для нахождения значения коэффициента вязкости жидкости.
На практике жидкие среды могут представлять собой раскаленные до 200-300 градусов смеси. Обычная стеклянная трубка в таких условиях просто бы деформировалась или даже лопнула, что недопустимо. Современные капиллярные вискозиметры собраны из качественного и стойкого материала, который легко переживает такие нагрузки.
2. Медицинский метод по Гессе. Чтобы рассчитать вязкость жидкости таким способом, необходимо иметь не одну, а две идентичные капиллярные установки. В одну из них помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а в другую - исследуемую жидкость. Далее измеряют два значения времени и составляют пропорцию, по которой выходят на нужное число.
3. Ротационный метод. Для его проведения необходимо иметь конструкцию из двух соосных цилиндров. Это значит, что один из них должен быть внутри другого. В промежуток между ними заливают жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру. Эта угловая скорость также сообщается жидкости. Разница в силе момента позволяет вычислить вязкость среды.
4. Определение вязкости жидкости методом Стокса. Для проведения этого опыта необходимо иметь вискозиметр Гепплера, который представляет собой цилиндр, заполненный жидкостью. Перед началом эксперимента делают две пометки на цилиндре и измеряют длину между ними. Затем берут шарик определенного радиуса R и опускают его в жидкую среду. Чтобы определить скорость его падения, находят время передвижения объекта от одной метки до другой. Зная скорость движения шарика, можно вычислить вязкость жидкости.
Практическое применение вискозиметрам
Определение вязкости жидкости имеет большое практическое значение в нефтеперерабатывающей промышленности. При работе с многофазными, дисперсными средами важно знать их физические свойства, особенно внутреннее трение. Современные вискозиметры сделаны из прочных материалов, при их производстве задействуются передовые технологии. Все это в совокупности позволяет работать с высокой температурой и давлением без вреда для самого оборудования.
Вязкость жидкости играет большую роль в промышленности, потому что транспортировка, переработка и добыча, например, нефти зависят от значений внутреннего трения жидкостной смеси.
Какую роль играет вязкость в медицинском оборудовании?
Поступление газовой смеси через эндотрахеальную трубку зависит от внутреннего трения этого газа. Изменение значений вязкости среды здесь по-разному отражается на проникновении воздуха через аппарат и зависит от состава газовой смеси.
Введение лекарственных препаратов, вакцин через шприц тоже является ярким примером действия вязкости среды. Речь идет о перепадах давления на конце иголки при впрыскивании жидкости, хотя изначально полагали, что этим физическим явлением можно пренебречь. Возникновение высокого давления на наконечнике - это результат действия внутреннего трения.
Заключение
Вязкость среды - это одна из физических величин, которая имеет большое практическое применение. В лаборатории, промышленности, медицине - во всех этих сферах понятие внутреннего трения фигурирует очень часто. Работа простейшего лабораторного оборудования может зависеть от степени вязкости среды, которая используется для исследований. Даже перерабатывающая промышленность не обходится без знаний в области физики.
