Viszkozitás

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. június 18-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A viszkozitás ( belső súrlódás ) az egyik átviteli jelenség, a folyékony testek ( folyadékok és gázok ) azon tulajdonsága, hogy ellenállnak az egyik alkatrészük elmozdulásának a másikhoz képest. Ennek eredményeként az erre a mozgásra fordított makroszkopikus munka hő formájában eloszlik. A szilárd anyagok (üveg, fémek, félvezetők, dielektrikumok, ferromágnesek) [1] is rendelkezhetnek viszkozitással, de a szilárd anyagok belső súrlódását a jelenség sajátosságaiból adódóan a rugalmasság és plaszticitás elmélete általában külön-külön veszi figyelembe .

A folyadékok és gázok belső súrlódásának mechanizmusa az, hogy a mozgó molekulák lendületet adnak át egyik rétegből a másikba, ami a sebességek egymáshoz igazodásához vezet - ezt a súrlódási erő bevezetésével írják le. A szilárd anyagok viszkozitásának számos sajátossága van, és általában külön vizsgálják.

Vannak dinamikus viszkozitások (a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) - pascal - másodperc , Pa s, a CGS rendszerben - poise , P; 1 Pa s \u003d 10 P, 1 cP = 10 -3 Pa s \ u003d 1 MPa s) és kinematikai viszkozitás (egység SI - m 2 / s , CGS - Stokes , St; 1 St = cm 2 / s = 10 -4 m 2 / s, 1 cSt = 1 mm 2 / s = 10 −6 m 2 /s; nem rendszerszintű egység - fok Engler ). A kinematikus viszkozitást a dinamikus viszkozitás és az anyag sűrűségének arányaként kaphatjuk meg, és eredete a viszkozitás mérésének klasszikus módszereinek köszönhető, mint például annak az időnek a mérése, amely alatt egy adott térfogat a gravitáció hatására átfolyik egy kalibrált nyíláson. . A viszkozitás mérésére szolgáló eszközt viszkoziméternek nevezzük .

Egy anyag folyadékból üveges állapotba való átmenete általában 10 11 -10 12 Pa·s nagyságrendű viszkozitás elérésével jár.

A viszkózus súrlódás ereje

Ha párhuzamos síktestek, amelyek mindegyike S területű , kis h távolságra helyezkednek el , ugyanabban a síkban mozognak egymáshoz képest sebességgel, és a testek közötti teret folyadék vagy gáz tölti meg, akkor mindegyikre hatással van egy erő, a legegyszerűbb esetben arányos a relatív sebességgel és S területtel , és fordítottan arányos a testek h távolságával : $\vec{v}$ $\vec{v}$

{\vec {F}}\sim -{\frac ({\vec {v}}\cdot S}{h)).

Az arányossági tényezőt a folyadék vagy gáz természetétől függően dinamikus viszkozitási együtthatónak nevezzük . Ezt a törvényt Isaac Newton javasolta 1687-ben, és az ő nevét viseli ( Newton viszkozitási törvénye ). A törvény kísérleti igazolását a 19. század elején Coulomb torziós súlyokkal , valamint Hagen és Poiseuille kísérletei a víz kapillárisokban való áramlásával [2] kapták .

Ezt az erőt viszkózus súrlódási erőnek nevezzük. Minőségi különbsége a száraz súrlódástól többek között az, hogy arányos a sebességgel. Ezért csak viszkózus súrlódás és tetszőlegesen kis külső erő jelenlétében a test szükségszerűen mozgásba lép, vagyis viszkózus súrlódás esetén nincs statikus súrlódás .

Második viszkozitás

A második viszkozitás vagy ömlesztett viszkozitás a belső súrlódás a mozgás irányába történő lendületátvitel során. Csak akkor érinti, ha figyelembe vesszük az összenyomhatóságot és (vagy), ha figyelembe vesszük a második viszkozitás együtthatójának heterogenitását a térben.

Ha a dinamikus (és kinematikai) viszkozitás jellemzi a tiszta nyírási deformációt, akkor a második viszkozitás a térfogati kompressziós deformációt.

Az ömlesztett viszkozitás nagy szerepet játszik a hang- és lökéshullámok csillapításában, és kísérletileg ennek a csillapításnak a mérésével határozzák meg.

Gázok viszkozitása

A gázok kinetikai elméletében a belső súrlódási együtthatót a képlet számítja ki

\eta ={\frac {1}{3}}\langle u\rangle \langle \lambda \rangle \rho ,

ahol a molekulák hőmozgásának átlagos sebessége, az átlagos szabad út. Ebből a kifejezésből különösen az következik, hogy a nem túl ritka gázok viszkozitása gyakorlatilag független a nyomástól, mivel a sűrűség egyenesen arányos a nyomással, az úthossz pedig fordítottan arányos. Ugyanez a következtetés következik más gázok kinetikai együtthatóira is, például a hővezetési együtthatóra . Ez a következtetés azonban csak addig érvényes, amíg a gáz ritkulása olyan kicsivé nem válik, hogy a szabad út és az edény lineáris méreteinek aránya ( Knudsen-szám ) nagyságrendileg nem lesz egyenlő eggyel; ez különösen a Dewar-edényekben (termoszok) történik. $\langle u\rangle$ $\langle \lambda \rangle$ $\rho$ $\langle \lambda \rangle$

A hőmérséklet emelkedésével a legtöbb gáz viszkozitása növekszik, ennek oka a gázmolekulák átlagos sebességének növekedése, és a hőmérséklettel együtt növekszik . $u$ ${\sqrt {T}}$

A hőmérséklet hatása a gázok viszkozitására

A folyadékokkal ellentétben a gázok viszkozitása a hőmérséklet emelkedésével növekszik (folyadékoknál a hőmérséklet emelkedésével csökken).

A Sutherland-képlet segítségével meg lehet határozni egy ideális gáz viszkozitását a hőmérséklet függvényében: [3]

\mu =\mu _{0}{\frac {T_{0}+C}{T+C}}\left({\frac {T}{T_{0}}}\jobb)^{ 3/2},

ahol

μ a dinamikus viszkozitás (Pa s-ban) adott T hőmérsékleten ; μ 0 - kontroll viszkozitás (Pa s-ban) valamilyen T 0 szabályozási hőmérsékleten ; T a beállított hőmérséklet kelvinben ; T 0 - szabályozási hőmérséklet kelvinben; C annak a gáznak a Sutherland-állandója, amelynek viszkozitását meg kell határozni.

Ez a képlet 0 < T < 555 K hőmérséklet-tartományban és 3,45 MPa-nál kisebb nyomáson alkalmazható 10%-nál kisebb hibával a viszkozitás nyomástól való függése miatt.

A gázok Sutherland-állandó és referencia viszkozitása különböző hőmérsékleteken az alábbi táblázatban látható:

Gáz	C , K	T 0 , K	μ 0 , μPa s
Levegő	120	291,15	18.27
Nitrogén	111	300,55	17.81
Oxigén	127	292,25	20.18
Szén-dioxid	240	293,15	14.8
Szén-monoxid	118	288,15	17.2
Hidrogén	72	293,85	8.76
Ammónia	370	293,15	9.82
Kén(IV)-oxid	416	293,65	12.54
Hélium	79,4 [4]	273	19 [5]

Folyadékok viszkozitása

Dinamikus viszkozitás

A folyadékok belső súrlódása a gázokhoz hasonlóan akkor következik be, amikor a folyadék a mozgás irányára merőleges irányú impulzusátvitel következtében mozog. Az úgynevezett newtoni folyadékokra (amelyek többségében vannak körülöttünk) a belső súrlódás általános törvénye érvényes - Newton törvénye :

\tau =-\eta {\frac {\partial v}{\partial n)).

A viszkozitási együttható (dinamikus viszkozitási együttható, dinamikus viszkozitás) a molekulamozgások megfontolásából származtatható. Nyilvánvalóan minél kevesebb lesz, annál rövidebb lesz a molekulák „letelepedésének” t ideje. Ezek a megfontolások a viszkozitási együttható kifejezéséhez vezetnek, amelyet Frenkel-Andrade egyenletnek neveznek : $\eta$ $\eta$

\eta =Ce^{w/kT}.

A viszkozitási együtthatót reprezentáló másik képletet Bachinsky [6] javasolta . Amint látható, a viszkozitási együtthatót a molekulák közötti átlagos távolságtól függően intermolekuláris erők határozzák meg; ez utóbbit az anyag moláris térfogata határozza meg . Számos kísérlet kimutatta, hogy összefüggés van a moláris térfogat és a viszkozitási együttható között $V_{M}$

\eta ={\frac {c}{V_{M}-V_{C}}},

ahol:

c

egy bizonyos folyadék állandó jellemzője;

V_{C}

a folyadékrészecskék által elfoglalt térfogat.

A folyadékok dinamikus viszkozitása a hőmérséklet emelkedésével csökken, a nyomás növekedésével pedig nő.

Kinematikai viszkozitás

A gépészetben különösen a hidraulikus hajtások számításánál és a tribológiai mérnököknél gyakran kell foglalkozni a mennyiséggel.

\nu ={\frac {\eta }{\rho )),

és ezt az értéket kinematikai viszkozitásnak nevezzük [7] .

Itt van a folyadék sűrűsége; a dinamikus viszkozitás együtthatója. $\rho$ $\eta$

A kinematikai viszkozitást régebbi forrásokban gyakran centistokes -ban (cSt) adják meg. SI-ben ezt az értéket a következőképpen fordítják le: 1 cSt \u003d 1 mm 2 / s \u003d 10 -6 m 2 / s.

Névleges viszkozitás

Relatív viszkozitás - olyan érték, amely közvetve jellemzi az áramlással szembeni hidraulikus ellenállást, amelyet egy adott térfogatú oldat lejárati idejével mérnek egy függőleges csövön keresztül (bizonyos átmérőjű). Engler-fokban mérve (a német K. O. Engler kémikusról nevezték el), jelölése - ° VU. Ezt a speciális viszkoziméterből adott hőmérsékleten 200 ml tesztfolyadék kiáramlási idejének és 200 ml desztillált víz ugyanabból a készülékből 20 °C-on történő kiáramlási idejének aránya határozza meg. A 16 °VU-ig terjedő feltételes viszkozitást a GOST táblázat szerint kinematikaivá, a 16 °VU-t meghaladó feltételes viszkozitást pedig a képlet szerint alakítjuk át.

\nu =7,4\cdot 10^{-6}E_{t},

ahol - kinematikai viszkozitás (m 2 / s-ban), és - feltételes viszkozitás (VU ° -ban) t hőmérsékleten . $\nu$ ${\displaystyle E_{t))$

Newtoni és nem newtoni folyadékok

A newtoni folyadékok olyan folyadékok, amelyek viszkozitása nem függ az alakváltozási sebességtől. A Newtoni folyadék Navier-Stokes egyenletében a fentiekhez hasonló viszkozitási törvény található (valójában a Newton-törvény általánosítása, vagy a Navier-Stokes-törvény [8] ):

\sigma _{ij}=\eta \left({\frac {\partial v_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial v_{j}}{\partial x_{i}}}\jobbra),

hol van a viszkózus feszültség tenzor . $\sigma _{i,j}$

A nem newtoni folyadékok közül a viszkozitás alakváltozási sebességtől való függése szerint pszeudoplasztikus és dilatáns folyadékokat különböztetünk meg . Egy nem nulla nyírófeszültségű modell (a viszkozitás hatása hasonló a száraz súrlódáshoz ) a Bingham-modell . Ha a viszkozitás idővel változik, a folyadékot tixotrópnak mondják. A nem newtoni folyadékok esetében a viszkozitásmérési technika kiemelkedően fontos.

A hőmérséklet emelkedésével sok folyadék viszkozitása csökken. Ennek az az oka, hogy az egyes molekulák kinetikus energiája gyorsabban növekszik, mint a köztük lévő kölcsönhatás potenciális energiája. Ezért minden kenőanyag mindig megpróbál lehűlni, különben a csomópontokon keresztül történő egyszerű szivárgással fenyeget.

Amorf anyagok viszkozitása

Az amorf anyagok (például üveg vagy olvadék) viszkozitása termikusan aktivált folyamat [9] :

\eta (T)=A\exp \left({\frac {Q}{RT}}\right),

ahol

K

a viszkozitás aktiválási energiája (J/mol);

T

— hőmérséklet ( K );

R

— univerzális gázállandó (8,31 J/mol K);

A

valami állandó.

Az amorf anyagok viszkózus áramlását az Arrhenius-törvénytől való eltérés jellemzi : a viszkozitás aktiválási energiája alacsony hőmérsékleten (üveges állapotban) nagy értékről magas hőmérsékleten (folyékony állapotban) kis értékre változik . Ettől a változástól függően az amorf anyagokat erősnek, ha , vagy ridegnek, ha . Az amorf anyagok ridegségét számszerűen a Dorimus ridegségi paraméter jellemzi : az erős anyagoknak van , míg a rideg anyagoknak igen . $K$ $Q_{H}$ $Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})\geqslant Q_{L}$ $R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}$ $R_{D}<2$ $R_{D}\geqslant 2$

Az amorf anyagok viszkozitását a kétexponenciális egyenlet meglehetősen pontosan közelíti [10].

\eta (T)=A_{1}T\left(1+A_{2}\exp {\frac {B}{RT}}\right)\left(1+C\exp {\frac { D}{RT}}\jobbra)

a , , , és , konstansokkal , amelyek az amorf anyagok összekötő kötéseinek termodinamikai paramétereihez kapcsolódnak. $A_{1}$ $A_{2}$ $B$ $C$ $D$

Az üvegesedési hőmérséklethez közeli szűk hőmérsékleti intervallumokban ezt az egyenletet VTF -típusú képletekkel vagy tömörített Kohlrausch-kitevőkkel közelítjük . $T_{g}$

Ha a hőmérséklet lényegesen alacsonyabb, mint az üvegesedési hőmérséklet, akkor a kétexponenciális viszkozitási egyenlet Arrhenius-típusú egyenletté redukálódik ${\displaystyle T<T_{g))$

\eta (T)=A_{L}T\exp \left({\frac {Q_{H}}{RT}}\right)

nagy aktiválási energiával , ahol az összekötő kötések felszakításának entalpiája , vagyis a konfigurációk létrehozásának entalpiája , és ezek mozgásának entalpiája. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az amorf anyagok üveges állapotban vannak, és az összekötő kötések túlnyomó többsége érintetlen. $Q_{H}=H_{d}+H_{m}$ $H_{d}$ $H_{m}$ ${\displaystyle T<T_{g))$

-nél a két exponenciális viszkozitási egyenlet szintén Arrhenius-típusú egyenletté redukálódik ${\displaystyle T\gg T_{g))$

\eta (T)=A_{H}T\exp \left({\frac {Q_{L}}{RT}}\right),

de alacsony aktiválási energiával . Ez annak a ténynek köszönhető, hogy amikor az amorf anyagok kiegyenesített állapotban vannak, és az összekötő kötések túlnyomó többsége megsemmisül, ami megkönnyíti az anyag folyékonyságát. $Q_{L}=H_{m}$ ${\displaystyle T\gg T_{g))$

Relatív viszkozitás

A műszaki tudományokban gyakran használják a relatív viszkozitás fogalmát , amely az oldat dinamikus viszkozitási együtthatójának (lásd fent) és a tiszta oldószer dinamikus viszkozitási együtthatójának aránya:

\mu _{r}={\frac {\mu }{\mu _{0))},

ahol

μ az oldat dinamikus viszkozitása; μ 0 az oldószer dinamikus viszkozitása.

Egyes anyagok viszkozitása

Repülőgép- és hajóépítésnél a legfontosabb a levegő és a víz viszkozitásának ismerete.

A levegő viszkozitása

A levegő viszkozitása elsősorban a hőmérséklettől függ. 15,0 °C-on a levegő viszkozitása 1,78⋅10 -5 kg/(m s) = 17,8 µPa s = 1,78⋅10 -5 Pa s. A levegő viszkozitását a hőmérséklet függvényében találhatja meg a gázok viszkozitásának számítására szolgáló programokkal [11] .

A víz viszkozitása

A víz dinamikus viszkozitása 8,90 10 −4 Pa s 25 °C körüli hőmérsékleten. A hőmérséklet függvényében: T = A × 10 B /( T − C ) , ahol A = 2,414 10 −5 Pa s, B = 247,8 K, C = 140 K.

A folyékony víz dinamikus viszkozitásának értékeit különböző hőmérsékleteken a forráspontig a táblázat tartalmazza:

Hőmérséklet, °C	Viszkozitás, mPa s
tíz	1.308
húsz	1.002
harminc	0,7978
40	0,6531
ötven	0,5471
60	0,4668
70	0,4044
80	0,3550
90	0,3150
100	0,2822

Különféle anyagok dinamikus viszkozitása

Néhány newtoni folyadék dinamikus viszkozitási együtthatójának értékei a következők :

Bizonyos típusú gázok viszkozitása

Gáz	0 °C-on (273 K), µPa s	27 °C-on (300 K), µPa s
levegő	17.4	18.6
hidrogén	8.4	9.0
hélium		20.0
argon		22.9
xenon	21.2	23.2
szén-dioxid		15.0
metán		11.2
etán		9.5

Folyadékok viszkozitása 25 °C-on

Folyékony	Viszkozitás, Pa s	Viszkozitás, mPa s
aceton	3,06 10 −4	0,306
benzol	6,04 10 −4	0,604
vér (37 °C-on)	(3—4) 10 −3	3-4
Ricinusolaj	0,985	985
kukoricaszirup	1.3806	1380,6
etanol	1,074 10 −3	1.074
etilén-glikol	1,61 10 −2	16.1
glicerin (20 °C-on)	1.49	1490
gázolaj	2.022	2022
higany	1,526 10 −3	1.526
metil-alkohol	5,44 10 −4	0,544
SAE 10 motorolaj (20°C-on)	0,065	65
SAE 40 motorolaj (20 °C-on)	0,319	319
nitrobenzol	1,863 10 −3	1.863
folyékony nitrogén (77K-on)	1,58 10 −4	0,158
propanol	1,945 10 −3	1.945
olivaolaj	0,081	81
hangmagasság	2,3 10 8	2,3 10 11
kénsav	2,42 10 −2	24.2
víz	8,94 10 −4	0,894

Jegyzetek

↑ Belső súrlódás fémekben, félvezetőkben, dielektrikumokban és ferromágnesekben: Szo. cikkek / Szerk. F. N. Tavadze . — M .: Nauka, 1978. — 235 p. (Orosz)
↑ A hidrodinamikai tanfolyamok néhány hibájáról Archiválva : 2015. december 22. a Wayback Machine -nál , p. 3-4.
↑ Alexander J. Smits, Jean-Paul Dussauge Turbulent shear layers in supersonic flow Archivált : 2017. július 17. a Wayback Machine -nál . - Birkhäuser, 2006. - P. 46. - ISBN 0-387-26140-0 .
↑ A Sutherland-képlet adatállandói Archiválva : 2018. március 6. a Wayback Machine -nél .
↑ Folyadékok és gázok viszkozitása Archivált 2017. október 3. a Wayback Machine -nál .
↑ Khmelnitsky R. A. Fizikai és kolloid kémia: Tankönyv mezőgazdasági speciális. egyetemek. - M . : Felsőiskola, 1988. - S. 40. - 400 p. - ISBN 5-06-001257-3 .
↑ Popov D.N. Hidraulikus és pneumatikus rendszerek dinamikája és szabályozása: Proc. mérnöki egyetemek számára. - M . : Mashinostroenie, 176. - S. 175. - 424 p.
↑ Sedov L.I. Continuum Mechanics archív példánya 2014. november 28-án a Wayback Machine -nél . T. 1. - M .: Nauka, 1970. - S. 166.
↑ Frenkel Ya. I. Folyadékok kinetikai elmélete. - Leningrád, Nauka, 1975. - p. 226.
↑ Ojovan M. A viszkózus folyás és az olvadékok és üvegek viszkozitása. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4), 143-150 (2012).
↑ Gázviszkozitás-kalkulátor archiválva : 2011. július 21. a Wayback Machine -nél .

Lásd még

Irodalom

RH Doremus. J. Appl. Phys. , 92, 7619-7629 (2002).
MI Ojovan, W.E. Lee. J. Appl. Phys. , 95, 3803-3810 (2004).
MI Ojovan, KP Travis, RJ Hand. J. Phys.: Condensed Matter, 19, 415-107 (2007).
L. I. SEDOV Continuum mechanika. T. 1. - M .: Nauka, 1970. - 492 p.
P. N. Gedyk, M. I. Kalasnyikova. Kohászati berendezések kenése. - M .: Kohászat, 1976. - 380 p.
I. F. Golubev. Gázok és gázkeverékek viszkozitása. — M.: Fizmatlit, 1959.
Szerk. FN Tavadze Fémek, félvezetők, dielektrikumok és ferromágnesek belső súrlódása. - M., Nauka, 1978. - 235 p.

Linkek

Arinshtein A. Zsukovszkij összehasonlító viszkozimétere // Kvant , 9. sz., 1983.
Kőolajtermékek viszkozitásának mérése
Bulkin P. S. Popova I. I. Általános fizikai gyakorlati munka. Molekuláris fizika
A feltételes viszkozitás mértéke // Nagy enciklopédikus politechnikai szótár . – 2004.
A víz viszkozitása

Szótárak és enciklopédiák

Bibliográfiai katalógusokban
BNE : XX534455 BNF : 11976017g GND : 4063625-2 J9U : 987007541427705171 LCCN : sh85143858 NDL : 00568098 NKC : ph117913