Что такое вязкость?

Вязкость жидкости является мерой ее сопротивления течению. Он описывает внутреннее трение движущейся жидкости. Вязкие жидкости сопротивляются движению, потому что их молекулярный состав создает сильное внутреннее трение. Жидкости с низкой вязкостью легко текут, потому что их молекулярный состав создает небольшое трение при движении.

На молекулярном уровне вязкость обусловлена ​​взаимодействием между различными молекулами жидкости. Это также можно рассматривать как трение между молекулами. Как и в случае трения между движущимися твердыми телами, вязкость будет определять энергию, необходимую для движения жидкости.

Лучший способ представить это на примере. Рассмотрим чашку из пенопласта с отверстием на дне. Я замечаю, что чашка очень медленно опорожняется, когда мы наливаем в нее мед. Это связано с тем, что вязкость меда относительно высока по сравнению с другими жидкостями. Например, когда мы наполняем ту же чашку водой, вода будет стекать гораздо быстрее. Жидкость с низкой вязкостью называется «жидкой», а жидкость с высокой вязкостью — «густой». Легче двигаться через жидкость с низкой вязкостью (например, воду), чем через жидкость с высокой вязкостью (например, мед).

Факторы, влияющие на вязкость

Вязкость зависит от многих факторов. Примеры включают температуру, давление и добавление других молекул. Давление оказывает небольшое влияние на жидкости и часто игнорируется. Добавление молекул может иметь значительный эффект. Сахар, например, делает воду более вязкой.

Однако наибольшее влияние на вязкость оказывает температура. Повышение температуры жидкости снижает вязкость, поскольку дает молекулам достаточно энергии для преодоления межмолекулярного притяжения. Для газов влияние температуры на вязкость противоположно. При повышении температуры газа вязкость увеличивается. На вязкость газа существенно не влияет межмолекулярное притяжение, а повышение температуры, что приводит к столкновению большего количества молекул.

Динамическая и кинетическая вязкость

Есть два способа указать вязкость. Абсолютный или динамическая вязкость является мерой сопротивления жидкости течению при кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Хотя взаимосвязь очевидна, важно помнить, что две жидкости с одинаковыми значениями динамической вязкости могут иметь разную плотность и, следовательно, разные значения кинематической вязкости. И, конечно, динамическая вязкость и кинематическая вязкость имеют разные единицы измерения.

Единицы вязкости

Единицей СИ для вязкости является ньютон-секунда на квадратный метр (Н·с/м2). Тем не менее, вы часто встретите вязкость, выраженную в паскалях-секундах (Па·с), килограммах на метр в секунду (кг·м-1·с-1), пуазах (P или г·см-1·с- 1 = 0.1 Па·с) или сантипуаз (сП). Это делает вязкость воды при 20 °C примерно 1 сП или 1 мПа·с.

В американской и британской технике другой распространенной единицей измерения является фунт-секунда на квадратный фут (фунт·с/фут2). Альтернативной эквивалентной единицей измерения является фунт-сила-секунда на квадратный фут (lbf·s/ft2).

Единицы динамической вязкости

Равновесие (символ: P)

Пуаз (обозначение: P) Названный в честь французского врача Жана-Луи-Мари Пуазейля (1799–1869), это единица измерения вязкости в СГС, эквивалентная дин-секунде на квадратный сантиметр. Это вязкость жидкости, в которой тангенциальная сила в 1 дин на квадратный сантиметр поддерживает разницу в скорости 1 сантиметр в секунду между двумя параллельными плоскостями, отстоящими друг от друга на 1 сантиметр. Даже в отношении высоковязких жидкостей эта единица чаще всего встречается как сантипуаз (сП), что составляет 0.01 пуаз. Многие повседневные жидкости имеют вязкость от 0.5 до 1000 сП.

Паскаль-секунда (символ: Па · с)

Это единица вязкости в системе СИ, эквивалентная ньютон-секунде на квадратный метр (Н · см – 2). Иногда его называют «пуазейлем» (Pl). Одно уравновешивание составляет точно 0.1 Па · с. Один пуазейль равен 10 пуазам или 1000 сП, а 1 сП = 1 мПа · с (один миллипаскаль-секунда).

Единицы кинематической вязкости

Стоукс (символ: St)

Это единица cgs, эквивалентная квадратному сантиметру в секунду. Один стокс равен вязкости в равновесии, деленной на плотность жидкости в г см–3. Чаще всего он встречается в сантистоксах (сСт) (= 0.01 стокса).

Секунды Сейболта универсальные

Это время, в течение которого 60 мл жидкости протекают через калиброванное отверстие универсального вискозиметра Сейболта при заданной температуре кинематической вязкости, как предписано методом испытаний ASTM D 88. Для более высоких вязкостей используется SSF (Секунды Сейболта Фурол).

Формула вязкости

Базовая модель течения между двумя пластинами [1]

Отношение внешней силы (F) в пораженный участок (A) определяется как напряжение сдвига (σ):

σ = F/A

Команда напряжение сдвига (γ) определяется как относительное изменение длины материала под действием внешней силы:

γ = l/l₀

Соотношение между напряжением сдвига (σ) и деформации сдвига (γ) определяется как модуль (G):

G = σ/ γ

Если верхняя пластина на рисунке 1 движется с определенной скоростью (v), градиент скорости dv/dx определяется как скорость сдвига (γ̇). Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший законы движения и всемирного тяготения, обнаружил, что в идеальных жидкостях (известных как ньютоновские жидкости) касательное напряжение (σ) напрямую связана со скоростью сдвига (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Ньютоновские и неньютоновские жидкости

Ньютоновские жидкости, как их называют, имеют постоянную вязкость. Когда вы увеличиваете силу, сопротивление увеличивается, но это пропорциональное увеличение. Какую бы силу ни прикладывали к ньютоновской жидкости, она продолжает вести себя как жидкость. А Ньютоновская жидкость жидкость, подчиняющаяся закону трения Ньютона, где вязкость не зависит от скорости деформации.

Вязкость остается постоянной независимо от изменений скорости сдвига или перемешивания. По мере увеличения скорости насоса расход увеличивается пропорционально. Жидкости, демонстрирующие ньютоновское поведение, включают воду, минеральные масла, сироп, углеводороды и смолы.

Неньютоновские жидкости

A неньютоновская жидкость не подчиняется закону трения Ньютона. Большинство жидкостных систем не являются ньютоновскими (известными как неньютоновские жидкости) и их вязкость не является постоянной, а изменяется в зависимости от увеличения или уменьшения приложенной скорости сдвига.

Многие жидкости демонстрируют снижение вязкости в зависимости от увеличения скорости сдвига. Эти жидкости называются псевдопластические жидкости. «Структура» жидкости в этих системах разрушается под действием внешней силы, в результате чего истончение сдвига поведение. Если начальная межчастичная (или молекулярная) ассоциация сильна, система может вести себя как твердое тело в состоянии покоя. Начальное касательное напряжение, необходимое для преодоления внутренних сил и разрушения конструкции, определяется как доходность системы. Материалы, которые демонстрируют значение текучести, а затем демонстрируют истончение при сдвиге с увеличением скорости сдвига, определяются как пластиковые жидкости. Некоторые жидкости демонстрируют увеличение вязкости с увеличением скорости сдвига, явление, известное как утолщение сдвига. Эти материалы определяются как дилатантные жидкости.

Касательное напряжение как функция скорости сдвига [1]

Вязкость как функция скорости сдвига [1]

Текучесть с течением времени: тиксотропия

Сложная жидкость перестраивается со временем, когда внешняя сила удаляется. Таким образом, вязкость следует измерять не только по увеличению скорости сдвига по мере разрушения структуры, но и по уменьшению скорости сдвига по мере восстановления системы. Это называется гистерезис.

При быстром восстановлении график зависимости вязкости от уменьшения скорости сдвига будет наложен на график зависимости вязкости от увеличения скорости сдвига. Если жидкости требуется время для восстановления своей структуры, «нисходящая кривая» будет ниже «восходящей кривой». тиксотропия определяется как истончение при сдвиге с увеличением скорости сдвига и более медленное восстановление с уменьшением скорости сдвига. В нетиксотропный материалы, кривые «вверх» и «вниз» перекрываются и в реопектический материалы, кривая «вниз» находится выше кривой «вверх».

Но в то время как тиксотропные жидкости иногда ошибочно принимают за псевдопластичные жидкости, а реопектические жидкости иногда принимают за дилатантные жидкости, эти два типа жидкостей различаются одним существенным образом: зависимостью от времени. Изменение вязкости по отношению к напряжению для дилатантных и псевдопластичных жидкостей не зависит от времени. Но для тиксотропных жидкостей вязкость уменьшается с увеличением напряжения, чем дольше действует напряжение. То же самое касается реопектических жидкостей: вязкость увеличивается с увеличением напряжения, чем дольше действует указанное напряжение.

В повседневной жизни мы используем множество продуктов, обладающих тиксотропными свойствами. Тиксотропность — это свойство, объясняющее, почему средства личной гигиены, такие как гели для волос и зубная паста, при сдавливании превращаются из жидкого состояния в твердое, а затем возвращаются в твердое состояние, чтобы сохранить свою форму. Реологические свойства структурного разложения и регенерации во времени определяют качество продукта.

Вязкость как функция скорости сдвига – тиксотропное и нетиксотропное поведение (стрелки показывают увеличение или уменьшение скорости сдвига) [1]

Вязкость по отношению к нагрузке с течением времени (тиксотропное поведение против реопектического) [2]

Важность вязкости в повседневной жизни

Во многих различных областях вязкость может оказаться весьма полезной, хотя в повседневной жизни она кажется не столь важной. Например:

• Смазка в автомобилях.Когда вы заливаете масло в свой автомобиль или грузовик, вы должны учитывать его вязкость. Это потому, что вязкость влияет на трение, которое влияет на нагрев. Кроме того, вязкость влияет как на скорость расхода масла, так и на легкость запуска автомобиля в жару и холод. Вязкость некоторых масел остается неизменной при нагревании и охлаждении, в то время как другие становятся более жидкими при нагревании, вызывая проблемы при эксплуатации автомобиля в жаркий летний день.
• При приготовлении и подаче пищи вязкость играет существенную роль. Многие кулинарные масла становятся намного более вязкими при охлаждении, в то время как другие могут вообще не изменять вязкость. Поскольку при нагревании жир становится вязким, при охлаждении он становится твердым. Вязкость соусов, супов и тушеных блюд также важна в разных кухнях. При разбавлении густой суп из картофеля и лука-порея становится французским вишисуазом. Мед, например, довольно вязкий и может изменить «ощущение во рту» определенных продуктов.
• Производственное оборудование необходимо правильно смазывать, чтобы оно работало бесперебойно. Трубопроводы могут быть забиты и забиты вязкими смазочными материалами. Жидкие смазочные материалы обеспечивают недостаточную защиту движущихся частей.
• Когда жидкости вводятся внутривенно, вязкость может иметь решающее значение. Серьезная проблема связана с вязкостью крови: слишком вязкая кровь может образовывать внутренние сгустки, в то время как слишком жидкая кровь не свертывается, вызывая опасную кровопотерю и даже смерть.

Некоторые типичные вязкости