Пропустить
Вязкость

Основные понятия о вязкости жидкостей

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]

Базовая модель течения между двумя пластинами [1]

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

σ = F/A

Компания 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 = σγ

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

 

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]

Касательное напряжение как функция скорости сдвига [1]


Вязкость 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 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]

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

 

КатегорияЖидкостьКонкретный
Сила тяжести
Вязкость сП  
Справкаводы11
КлеиКлеи "Коробка"1 + -3000
Резина и растворители115000
пекарнядолбить12000
Эмульгатор20
Глазурь110000
лектитин3,250 при 125°F
77% сгущенное молоко с сахаром1.310,000 при 77°F
Дрожжевая суспензия 15%1180
Пиво / ВиноПиво11.1 при 40°F
Концентрированные пивные дрожжи (80% сухих веществ)16,000 при 40°F
Слово
Вино1
кондитерские изделиякарамель1.2400 при 140°F
Шоколад1.117,000 при 120°F
Фадж (Горячий)1.136000
ириска1.287000
Косметика/мылоКрем для лица10000
Гель для волос1.45000
Шампуни5000
Зубная паста20000
Очиститель для рук2000
Молочные продуктыТворог1.08225
Кремы1.0220 при 40°F
Молоко1.031.2 при 60°F
Плавленый сыр30,000 при 160°F
йогурт1100
Моющие средстваКонцентрат моющего средства10
Красители и чернилаЧернила для принтеров1 - 1.3810000
красящее вещество1.110
Жевательная резинка5000
Жиры и маслаКукурузное масло0.9230
Льняное масло0.9330 при 100°F
Арахисовое масло0.9242 при 100°F
Соевое масло0.9536 при 100°F
Растительное масло0.923 при 300°F
Разное ЕдаПаста из черной фасоли10000
Кукуруза в сливочном стиле130 при 190°F
Кетсуп (Кетсуп)1.11560 при 145°F
Паблум4500
Мякоть груши4,000 при 160°F
Картофельное пюре120000
Картофельная кожура и каустик20,000 при 100°F
Сливовый сок160 при 120°F
Концентрат апельсинового сока1.15,000 при 38°F
Пудинг из тапиоки0.71,000 при 235°F
Майонез15,000 при 75°F
33% томатная паста1.147000
меда1.51,500 при 100°F
Мясные продуктыРастопленные животные жиры0.943 при 100°F
Жиры из говяжьего фарша0.911,000 при 60°F
Мясная эмульсия122,000 при 40°F
Корма для животных111,000 при 40°F
Шлам свиного жира1650 при 40°F
Разное Химикатыгликолей1.135 в диапазоне
РисоватьМеталлические автомобильные краски220
Растворители0.8 - 0.90.5 - 10
Суспензия диоксида титана10000
лак1.06140 при 100°F
скипидар0.862 при 60°F
Бумага и текстильЧерный спиртовой деготь2,000 при 300°F
Покрытие бумаги 35%400
сульфид 6%1600
Черный ликер1.31,100 при 122°F
Мыло с черным щелоком7,000 при 122°F
Нефть и нефтепродуктыАсфальт (несмешанный)1.3500 - 2,500
бензин0.70.8 при 60°F
Керосин0.83 при 68°F
Мазут №60.9660 при 122°F
Автомобильное смазочное масло SAE 400.9200 при 100°F
Автомобильное смазочное масло SAE 900.9320 при 100°F
Пропан0.460.2 при 100°F
Смолы1.2Широкий диапазон
ФармацевтикаКасторка0.96350
Сироп от кашля1190
Суспензии для лечения желудка1500
Таблетки пасты5,000 + -
Пластиковые смолыбутадиен0.940.17 при 40°F
Полиэфирная смола (тип.)1.43000
Смола ПВА (тип.)1.365000
(Можно перекачивать широкий спектр пластмасс, вязкость сильно различается)
Крахмалы и камедиРаствор кукурузного крахмала 22°B1.1832
Раствор кукурузного крахмала 25°B1.21300
Сахар, Сиропы, ПатокаКукурузный сироп 41 Be1.3915,000 при 60°F
Кукурузный сироп 45 Be1.4512,000 при 130°F
Глюкоза1.4210,000 при 100°F
Патока А1.42от 280 до 5,000 при 100°F
B1.43 - 1.48от 1,400 до 13,000 при 100°F
C1.46 - 1.49от 2,600 до 5,000 при 100°F
Сахарные сиропы
60 Брикс1.2975 при 60°F
68 Брикс1.34360 при 60°F
76 Брикс1.394,000 при 60°F
Очистка воды и отходовОсветленный осадок сточных вод1.1Диапазон 2,000

Рекомендации

  1. Основные принципы реологии: расти вместе с потоком: http://www.thecosmeticchemist.com/education/formulation_science/basic_principles_of_rheology_grow_with_the_flow.html
  2. Неньютоновские жидкости от Science Learning Hub (правительство Новой Зеландии): https://www.sciencelearn.org.nz/resources/1502-non-newtonian-fluids
  3. Диксон: https://www.dixonvalve.com/sites/default/files/product/files/brochures-literature/viscosity%20chart.pdf

Хотите узнать о нашей технологии измерения датчиков?

Посмотрите видео или прочитайте наши технические документы.

Поиск