Viskozita

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 18. června 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Viskozita ( vnitřní tření ) je jeden z přenosových jevů, vlastnost tekutých těles ( kapalin a plynů ) odolávat pohybu jedné z jejich částí vůči druhé. V důsledku toho se makroskopická práce vynaložená na tento pohyb odvádí ve formě tepla. Viskozitu mohou mít i pevné látky (sklo, kovy, polovodiče, dielektrika, feromagnetika) [1] , ale vnitřní tření v pevných látkách se vzhledem ke specifikům jevu obvykle v teorii pružnosti a plasticity uvažuje samostatně .

Mechanismus vnitřního tření v kapalinách a plynech spočívá v tom, že pohybující se molekuly přenášejí hybnost z jedné vrstvy do druhé, což vede k vyrovnání rychlostí - to je popsáno zavedením třecí síly. Viskozita pevných látek má řadu specifických vlastností a obvykle se posuzuje samostatně.

Existuje dynamická viskozita (jednotka v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) - pascal - sekunda , Pa s, v systému CGS - poise , P; 1 Pa s \u003d 10 P, 1 cP \u003d 10 −3 Pa s \ u003d 1 MPa s) a kinematickou viskozitu (jednotka v SI - m 2 / s , v CGS - stokes , St; 1 St = cm 2 / s = 10 −4 m 2 / s, 1 cSt = 1 mm 2 / s = 10 −6 m 2 /s, nesystémová jednotka - stupeň Engler ). Kinematickou viskozitu lze získat jako poměr dynamické viskozity k hustotě látky a vděčí za svůj původ klasickým metodám měření viskozity, jako je měření doby, za kterou daný objem proteče kalibrovaným otvorem pod vlivem gravitace. . Zařízení pro měření viskozity se nazývá viskozimetr .

Přechod látky z kapalného do skelného stavu je obvykle spojen s dosažením viskozity řádově 10 11 -10 12 Pa·s.

Síla viskózního tření

Jestliže se rovnoběžná plochá tělesa o ploše S každé umístěná v malé vzdálenosti h pohybují ve stejné rovině relativní rychlostí a prostor mezi tělesy je vyplněn kapalinou nebo plynem, pak je každé z nich ovlivněno síla, v nejjednodušším případě úměrná relativní rychlosti a ploše S a nepřímo úměrná vzdálenosti mezi tělesy h : $\vec{v}$ $\vec{v}$

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

Faktor úměrnosti v závislosti na povaze kapaliny nebo plynu se nazývá dynamický viskozitní koeficient . Tento zákon navrhl Isaac Newton v roce 1687 a nese jeho jméno ( Newtonův zákon o viskozitě ). Experimentální potvrzení zákona bylo získáno na počátku 19. století v pokusech Coulomba s torzními závažími a v pokusech Hagena a Poiseuille s prouděním vody v kapilárách [2] .

Tato síla se nazývá viskózní třecí síla. Jeho kvalitativní rozdíl od suchého tření je mimo jiné v tom, že je úměrný rychlosti. Proto v přítomnosti pouze viskózního tření a libovolně malé vnější síly se těleso nutně uvede do pohybu, to znamená, že pro viskózní tření neexistuje žádné statické tření .

Druhá viskozita

Druhá viskozita neboli objemová viskozita je vnitřní tření při přenosu hybnosti ve směru pohybu. Ovlivňuje pouze při zohlednění stlačitelnosti a (nebo) při zohlednění heterogenity koeficientu druhé viskozity v prostoru.

Jestliže dynamická (a kinematická) viskozita charakterizuje čistou smykovou deformaci, pak druhá viskozita charakterizuje objemovou deformaci tlakem.

Objemová viskozita hraje velkou roli při tlumení zvukových a rázových vln a je experimentálně stanovena měřením tohoto tlumení.

Viskozita plynů

V kinetické teorii plynů se koeficient vnitřního tření počítá podle vzorce

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

kde je průměrná rychlost tepelného pohybu molekul, je střední volná dráha. Z tohoto výrazu zejména vyplývá, že viskozita nepříliš zředěných plynů je prakticky nezávislá na tlaku, protože hustota je přímo úměrná tlaku a délka dráhy je nepřímo úměrná. Stejný závěr vyplývá pro další kinetické koeficienty pro plyny, například pro součinitel tepelné vodivosti . Tento závěr však platí jen do té doby, než se zředění plynu stane tak malým, že poměr volné dráhy k lineárním rozměrům nádoby ( Knudsenovo číslo ) se nerovná řádově jedné; zejména se to odehrává v Dewarových nádobách (termózach). $\langle u\rangle$ $\langle \lambda \rangle$ $\rho$ $\langle \lambda \rangle$

Se zvyšující se teplotou se zvyšuje viskozita většiny plynů, je to způsobeno zvýšením průměrné rychlosti molekul plynu , rostoucí s teplotou jako . $u$ ${\sqrt {T}}$

Vliv teploty na viskozitu plynů

Na rozdíl od kapalin viskozita plynů roste s rostoucí teplotou (u kapalin klesá s rostoucí teplotou).

K určení viskozity ideálního plynu v závislosti na teplotě lze použít Sutherlandův vzorec : [3]

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

kde

μ je dynamická viskozita (v Pa s) při dané teplotě T ; μ 0 - kontrolní viskozita (v Pa s) při nějaké kontrolní teplotě T 0 ; T je nastavená teplota v kelvinech ; T 0 - kontrolní teplota v kelvinech; C je Sutherlandova konstanta pro plyn, jehož viskozita má být stanovena.

Tento vzorec lze použít pro teploty v rozsahu 0 < T < 555 K a při tlacích nižších než 3,45 MPa s chybou menší než 10 % v důsledku závislosti viskozity na tlaku.

Sutherlandova konstanta a referenční viskozity plynů při různých teplotách jsou uvedeny v tabulce níže:

Plyn	C , K	T0 , K	μ 0 , μPa s
Vzduch	120	291,15	18.27
Dusík	111	300,55	17,81
Kyslík	127	292,25	20.18
Oxid uhličitý	240	293,15	14.8
Kysličník uhelnatý	118	288,15	17.2
Vodík	72	293,85	8,76
Amoniak	370	293,15	9,82
Oxid sírový (IV).	416	293,65	12,54
Hélium	79,4 [4]	273	19 [5]

Viskozita kapalin

Dynamická viskozita

Vnitřní tření kapalin , stejně jako plynů, nastává, když se kapalina pohybuje v důsledku přenosu hybnosti ve směru kolmém ke směru pohybu. Pro takzvané newtonské kapaliny (kterých je kolem nás většina) platí obecný zákon vnitřního tření - Newtonův zákon :

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

Viskozitní koeficient (dynamický viskozitní koeficient, dynamická viskozita) lze odvodit z úvah o pohybech molekul. Je zřejmé, že to bude tím méně, čím kratší bude doba t „usazení“ molekul. Tyto úvahy vedou k vyjádření koeficientu viskozity zvaného Frenkel-Andradeova rovnice : $\eta$ $\eta$

\eta =Ce^{w/kT}.

Další vzorec představující koeficient viskozity navrhl Bachinsky [6] . Jak je ukázáno, koeficient viskozity je určen mezimolekulárními silami v závislosti na průměrné vzdálenosti mezi molekulami; druhý je určen molárním objemem látky . Četné experimenty ukázaly, že existuje vztah mezi molárním objemem a koeficientem viskozity $V_{M}$

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

kde:

C

je konstantní charakteristika určité kapaliny;

V_{C}

je objem, který zabírají částice kapaliny.

Dynamická viskozita kapalin klesá s rostoucí teplotou a roste s rostoucím tlakem.

Kinematická viskozita

Zejména ve strojírenství se při výpočtech hydraulických pohonů a v tribologickém inženýrství často musí řešit množství

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

a tato hodnota se nazývá kinematická viskozita [7] .

Zde je hustota kapaliny; je koeficient dynamické viskozity. $\rho$ $\eta$

Kinematická viskozita se u starších zdrojů často udává v centistokech (cSt). V SI je tato hodnota přeložena takto: 1 cSt \u003d 1 mm 2 / s \u003d 10 -6 m 2 / s.

Nominální viskozita

Relativní viskozita - hodnota, která nepřímo charakterizuje hydraulický odpor proti proudění, měřený dobou výdechu daného objemu roztoku svislou trubicí (určitého průměru). Měřeno ve stupních Engler (pojmenovaný po německém chemikovi K. O. Englerovi), značeno - ° VU. Stanoví se poměrem doby výtoku 200 ml zkušební kapaliny při dané teplotě ze speciálního viskozimetru k době výtoku 200 ml destilované vody ze stejného zařízení při 20 °C. Podmíněná viskozita do 16 °VU se převádí na kinematickou podle tabulky GOST a podmíněná viskozita přesahující 16 °VU podle vzorce

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

kde - kinematická viskozita (v m 2 / s) a - podmíněná viskozita (v ° VU) při teplotě t . $\nu$ ${\displaystyle E_{t))$

Newtonské a nenewtonské tekutiny

Newtonovské kapaliny jsou kapaliny, jejichž viskozita nezávisí na rychlosti deformace. V Navier-Stokesově rovnici pro newtonovskou tekutinu existuje zákon viskozity podobný výše uvedenému (ve skutečnosti zobecnění Newtonova zákona nebo Navier-Stokesova zákona [8] ):

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

kde je tenzor viskózního napětí . $\sigma _{i,j}$

Mezi nenewtonskými kapalinami se podle závislosti viskozity na rychlosti deformace rozlišují pseudoplastické a dilatantní kapaliny . Model s nenulovým smykovým napětím (působení viskozity je podobné suchému tření ) je Binghamův model . Pokud se viskozita v průběhu času mění, říká se, že tekutina je tixotropní. U nenewtonských kapalin má prvořadý význam technika měření viskozity.

Se stoupající teplotou klesá viskozita mnoha kapalin. Je to proto, že kinetická energie každé molekuly roste rychleji než potenciální energie interakce mezi nimi. Proto se všechna maziva vždy snaží ochladit, jinak hrozí prostým únikem přes uzly.

Viskozita amorfních materiálů

Viskozita amorfních materiálů (například skla nebo taveniny) je tepelně aktivovaný proces [9] :

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

kde

Q

je aktivační energie viskozity (J/mol);

T

— teplota ( K );

R

— univerzální plynová konstanta (8,31 J/mol K);

A

je nějaká stálá.

Viskózní tok v amorfních materiálech je charakterizován odchylkou od Arrheniova zákona : aktivační energie viskozity se mění z velké hodnoty při nízkých teplotách (ve sklovitém stavu) na malou hodnotu při vysokých teplotách (v kapalném stavu). V závislosti na této změně jsou amorfní materiály klasifikovány buď jako pevné, když , nebo křehké, když . Křehkost amorfních materiálů je číselně charakterizována parametrem křehkosti Dorimus : pevné materiály mají , zatímco křehké materiály ano . $Q$ $Q_{H}$ $Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})\geqslant Q_{L}$ $R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}$ $R_{D}<2$ $R_{D}\geqslant 2$

Viskozita amorfních materiálů je poměrně přesně aproximována dvouexponenciální rovnicí [10]

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

s konstantami , , , a , spojenými s termodynamickými parametry spojovacích vazeb amorfních materiálů. $A_{1}$ $A_{2}$ $B$ $C$ $D$

V úzkých teplotních intervalech blízkých teplotě skelného přechodu je tato rovnice aproximována vzorci typu VTF nebo komprimovanými Kohlrauschovými exponenty . $T_{g}$

Pokud je teplota výrazně nižší než teplota skelného přechodu, rovnice dvouexponenciální viskozity se redukuje na rovnici Arrheniova typu. ${\displaystyle T<T_{g))$

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

s vysokou aktivační energií , kde je entalpie přerušení spojovacích vazeb, tedy vytváření konfiguron , a je entalpie jejich pohybu. To je způsobeno tím, že při , jsou amorfní materiály ve sklovitém stavu a mají převážnou většinu spojovacích vazeb neporušených. $Q_{H}=H_{d}+H_{m}$ $H_{d}$ $H_{m}$ ${\displaystyle T<T_{g))$

Při , rovnice dvou exponenciální viskozity se také redukuje na rovnici Arrheniova typu ${\displaystyle T\gg T_{g))$

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

ale s nízkou aktivační energií . To je způsobeno tím, že když jsou amorfní materiály v narovnaném stavu a naprostá většina spojovacích vazeb je zničena, což usnadňuje tekutost materiálu. $Q_{L}=H_{m}$ ${\displaystyle T\gg T_{g))$

Relativní viskozita

V technických vědách se často používá pojem relativní viskozity , který je chápán jako poměr dynamického viskozitního koeficientu (viz výše) roztoku k dynamickému viskozitnímu koeficientu čistého rozpouštědla:

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

kde

μ je dynamická viskozita roztoku; μ 0 je dynamická viskozita rozpouštědla.

Viskozita některých látek

Pro letadla a stavbu lodí je nejdůležitější znát viskozitu vzduchu a vody.

Viskozita vzduchu

Viskozita vzduchu závisí především na teplotě. Při 15,0 °C je viskozita vzduchu 1,78⋅10 −5 kg/(ms) = 17,8 uPa s = 1,78⋅10 −5 Pa s. Viskozitu vzduchu v závislosti na teplotě zjistíte pomocí programů pro výpočet viskozity plynů [11] .

Viskozita vody

Dynamická viskozita vody je 8,90 10 −4 Pa s při teplotě asi 25 °C. Jako funkce teploty: T = A × 10 B /( T − C ) , kde A = 2,414 10 −5 Pa s, B = 247,8 K, C = 140 K.

Hodnoty dynamické viskozity kapalné vody při různých teplotách až do bodu varu jsou uvedeny v tabulce:

Teplota, °C	Viskozita, mPa s
deset	1,308
dvacet	1,002
třicet	0,7978
40	0,6531
padesáti	0,5471
60	0,4668
70	0,4044
80	0,3550
90	0,3150
100	0,2822

Dynamická viskozita různých látek

Níže jsou uvedeny hodnoty dynamického viskozitního koeficientu některých newtonských kapalin :

Viskozita určitých druhů plynů

Plyn	při 0 °C (273 K), uPa s	při 27 °C (300 K), uPa s
vzduch	17.4	18.6
vodík	8.4	9,0
hélium		20,0
argon		22.9
xenon	21.2	23.2
oxid uhličitý		15,0
metan		11.2
etan		9.5

Viskozita kapalin při 25 °C

Kapalina	Viskozita, Pa s	Viskozita, mPa s
aceton	3,06 10 −4	0,306
benzen	6,04 10 −4	0,604
krev (při 37 °C)	(3—4) 10 −3	3-4
Ricinový olej	0,985	985
kukuřičný sirup	1,3806	1380,6
ethanol	1,074 10 -3	1,074
ethylenglykol	1,61 10 −2	16.1
glycerin (při 20 °C)	1,49	1490
topný olej	2,022	2022
rtuť	1,526 10 −3	1,526
methylalkohol	5,44 10 −4	0,544
Motorový olej SAE 10 (při 20°C)	0,065	65
motorový olej SAE 40 (při 20 °C)	0,319	319
nitrobenzen	1,863 10 −3	1,863
kapalný dusík (při 77K)	1,58 10 −4	0,158
propanol	1,945 10 −3	1,945
olivový olej	0,081	81
hřiště	2,3 10 8	2,3 10 11
kyselina sírová	2,42 10 −2	24.2
voda	8,94 10 −4	0,894

Poznámky

↑ Vnitřní tření v kovech, polovodičích, dielektrikách a feromagnetech: Sat. články / Ed. F. N. Tavadze . — M .: Nauka, 1978. — 235 s. (Ruština)
↑ O některých chybách v kurzech hydrodynamiky Archivováno 22. prosince 2015 na Wayback Machine , str. 3-4.
↑ Alexander J. Smits, Jean-Paul Dussauge Turbulentní smykové vrstvy v nadzvukovém proudění Archivováno 17. července 2017 na Wayback Machine . - Birkhäuser, 2006. - S. 46. - ISBN 0-387-26140-0 .
↑ Datové konstanty pro Sutherlandův vzorec Archivováno 6. března 2018 na Wayback Machine .
↑ Viskozita kapalin a plynů Archivováno 3. října 2017 na Wayback Machine .
↑ Khmelnitsky R. A. Fyzikální a koloidní chemie: Učebnice pro zemědělský speciál. vysoké školy. - M . : Vyšší škola, 1988. - S. 40. - 400 s. - ISBN 5-06-001257-3 .
↑ Popov D.N. Dynamika a regulace hydro a pneumatických systémů: Proc. pro technické univerzity. - M. : Mashinostroenie, 176. - S. 175. - 424 s.
↑ Archivní kopie Sedov L.I. Continuum Mechanics ze dne 28. listopadu 2014 na Wayback Machine . T. 1. - M.: Nauka, 1970. - S. 166.
↑ Frenkel Ya. I. Kinetická teorie kapalin. - Leningrad, Nauka, 1975. - str. 226.
↑ Ojovan M. Viskózní tok a viskozita tavenin a skel. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143-150 (2012).
↑ Gas Viscosity Calculator Archivováno 21. července 2011 na Wayback Machine .

Viz také

Literatura

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, 415107 (2007).
L. I. SEDOV Mechanika kontinua. T. 1. - M.: Nauka, 1970. - 492 s.
P. N. Gedyk, M. I. Kalašniková. Mazání hutních zařízení. - M .: Hutnictví, 1976. - 380 s.
I. F. Golubev. Viskozita plynů a plynných směsí. — M.: Fizmatlit, 1959.
Ed. FN Tavadze Vnitřní tření v kovech, polovodičích, dielektrikách a feromagnetech. - M., Nauka, 1978. - 235 s.

Odkazy

Arinshtein A. Srovnávací viskozimetr Žukovského // Kvant , č. 9, 1983.
Měření viskozity ropných produktů
Bulkin P. S. Popova I. I. Obecná fyzikální praktická práce. Molekulární fyzika
Stupeň podmíněné viskozity // Velký encyklopedický polytechnický slovník . — 2004.
Viskozita vody

Slovníky a encyklopedie

V bibliografických katalozích
BNE : XX534455 BNF : 11976017g GND : 4063625-2 J9U : 987007541427705171 LCCN : sh85143858 NDL : 00568098 NKC : ph117913