Введение

Тема вискозиметрии и её методов мало распространена и фактически не упоминается в повседневной жизни, но, по истине, прибор вискозиметр занимает достойное место в списке гениальных изобретений человечества.

Вязкость - важная физико-химическая характеристика веществ. Значение вязкости приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). Вязкость расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. Вязкость расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. Вязкость масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.

Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одного слоя относительно другого. Количественно вязкость характеризуется значением динамической вязкости или коэффициентом внутреннего трения. Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.

Вязкость

Вязкость (внутреннее трение) -- одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение.

Рис. 1

Вязкость - один из показателей качества горючесмазочных материалов, красок, синтетических смол и т. п. Например, в производстве полимеров и различных продуктов на их основе вязкость служит важнейшим технологическим параметром, так как по ее величине можно оценить молекулярную массу и концентрацию вещества, а также его структуру в расплаве или растворе.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей -- это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Различают динамическую вязкость (единица измерения в Международной системе единиц (СИ) -- Па·с, в системе СГС -- Пуаз; 1 Па·с = 10 Пуаз) и кинематическую вязкость (единица измерения в СИ -- мІ/с, в СГС -- Стокс, внесистемная единица -- градус Энглера). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

Вискозиметр - это прибор, предназначенный для определения вязкости. Самыми распространёнными вискозиметрами являются ротационные, капиллярные, ультразвуковые, вискозиметры с падающим шариком и вибрационные.

Динамическая вязкость

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения -- закон Ньютона:

Коэффициент вязкости (коэффициент динамической вязкости, динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля - Андраде:

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества. Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение:

где с и b -- константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.

Кинематическая вязкость

В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной и эта величина получила название кинематической вязкости. Здесь -- плотность жидкости; -- коэффициент динамической вязкости.

Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В СИ эта величина переводится следующим образом: 1 сСт = 1 мм 2 /1 c = 10?6 м 2 /c.

Условная вязкость

Условная вязкость -- величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению, измеряемая временем истечения заданного объёма раствора через вертикальную трубку (определённого диаметра). Измеряют в градусах Энглера (по имени немецкого химика К.О. Энглера), обозначают -- °ВУ. Определяется отношением времени истечения 200см 3 испытываемой жидкости при данной температуре из специального вискозиметра ко времени истечения 200см 3 дистиллированной воды из того же прибора при 20°С. Условную вязкость до 16°ВУ переводят в кинематическую (м 2 /с) по таблице ГОСТ, а условную вязкость, превышающую 16°ВУ, по формуле: где -- кинематическая вязкость (в м 2 /с), а -- условная вязкость (в °ВУ) при температуре t.

Значения динамического и кинематического коэффициентов вязкости некоторых жидкостей приведены далее в таблице.

Жидкость определяют как физическое тело, способное менять свою форму при сколь угодно малом воздействии на него. Обычно различают два основных вида жидкостей: капельные и газообразные. Капельные жидкости - это жидкости в обычном понимании: вода, керосин, нефть, масло и так далее. Газообразные жидкости - это газы, которые в обычных условиях являются, например, такими газообразными веществами, как воздух, азот, пропан, кислород.

Данные вещества различаются по молекулярной структуре и виду взаимодействия молекул между собой. Однако, с точки зрения механики, они являются сплошными средами. И в силу этого, для них определены некоторые общие механические характеристики: плотность и удельный вес; а также основные сжимаемость, сопротивление растяжению, силы и вязкость.

Под вязкостью понимают свойство оказывать сопротивление скольжению или сдвигу его слоев друг относительно друга. Суть этого понятия заключается в появлении между различными слоями внутри жидкости при их относительном движении. Различают понятия «динамическая вязкость жидкости» и ее «кинетическая вязкость». Далее рассмотрим подробнее, в чем состоит отличие этих понятий.

Основные понятия и размерность

Сила внутреннего трения F, возникающая между движущимися друг относительно друга соседними слоями обобщенной жидкости, прямо пропорциональна скорости движения слоев и площади их соприкосновения S. Эта сила действует в направлении, перпендикулярном движению, и аналитически выражается уравнением Ньютона

F=μS (∆V)/ (∆n),

где (∆V)/ (∆n)=GV — градиент скорости в направлении нормали к движущимся слоям.

Коэффициент пропорциональности μ - есть динамическая вязкость или просто вязкость обобщенной жидкости. Из уравнения Ньютона он равен

В физической системе измерения единицу вязкости определяют как вязкость среды, в которой при единичном градиенте скорости GV = 1 см/сек на каждый квадратный сантиметр слоя действует сила трения в 1 дин. Соответственно и размерность единицы в данной системе выражается в дин∙сек∙см^(-2) = г∙см^(-1)∙сек^(-1).

Эта единица измерения динамической вязкости называется пуазом (П).

1 П = 0,1 Па∙с = 0,0102 кгс∙с∙м^(-2) .

Применяются и более мелкие единицы, именно: 1 П = 100 сП (сантипуаз) = 1000 мП (миллипуаз) = 1000000 мкП (микропуаз). В технической системе за единицу вязкости принимают величину кгс∙с∙м^(-2) .

В международной системе единицу вязкости определяют как вязкость среды, в которой при единичном градиенте скорости GV = 1 м/с на 1 м на каждый квадратный метр слоя жидкости действует сила трения в 1 Н (ньютон). Размерность величины μ в выражается в кг∙м^(-1)∙с^(-1).

Кроме такой характеристики, как динамическая вязкость, для жидкостей вводится понятие кинематической вязкости как отношение коэффициента μ к плотности жидкости. Величина коэффициента кинематической вязкости измеряется в стоксах (1ст = 1 см^(2)/с).

Коэффициент вязкости численно равен количеству движения, переносимому в движущемся газе за единицу времени в направлении, перпендикулярном движению, через единицу площади, когда скорость движения отличается на единицу скорости в слоях газа, отстоящих на единицу длины. Коэффициент вязкости зависит от рода и состояния вещества (температуры и давления).

Динамическая вязкость и кинематическая вязкость жидкостей и газов в большой степени зависят от температуры. При этом отмечено, что оба этих коэффициента убывают с возрастанием температуры для капельных жидкостей и, наоборот, возрастают при повышении температуры - для газов. Отличие этой зависимости можно объяснить физической природой взаимодействия молекул в капельных жидкостях и газах.

Физический смысл

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, явление вязкости для газов заключается в том, что в движущейся среде вследствие хаотического движения молекул происходит выравнивание скоростей различных слоев. Так, если первый слой движется в некотором направлении быстрее, чем соседний с ним второй слой, то из первого слоя во второй переходят более быстрые молекулы, и наоборот.

Поэтому первый слой стремится ускорить движение второго слоя, а второй — замедлить движение первого. Таким образом, общее количество движения первого слоя будет уменьшаться, а второго — увеличиваться. Получаемое при этом изменение количества движения характеризуется коэффициентом вязкости для газов.

В капельных жидкостях, в отличие от газов, внутреннее трение в большей мере определяется действием межмолекулярных сил. И, поскольку расстояния между молекулами капельной жидкости невелики по сравнению с газообразными средами, то силы взаимодействия молекул при этом - значительны. Молекулы жидкости, как и молекулы твердых тел, колеблются вблизи положений равновесия. Однако в жидкостях эти положения не являются стационарными. По прошествии некоторого промежутка времени молекула жидкости резко переходит в новое положение. При этом время, в течение которого положение молекулы в жидкости не изменяется, называют временем ее «оседлой жизни».

Силы межмолекулярного взаимодействия существенно зависят от вида жидкости. Если вязкость вещества мала, то его называют "текучим", так как коэффициент текучести и динамическая вязкость жидкости - обратно пропорциональные величины. И наоборот, вещества с большим коэффициентом вязкости могут обладать механической твердостью, как, например, смола. Вязкость вещества при этом существенно зависит как от состава примесей и их количества, так и от температуры. При увеличении температуры величина времени «оседлой жизни» уменьшается, вследствие чего растет подвижность жидкости и уменьшается вязкость вещества.

Явление вязкости, как и другие явления молекулярного переноса (диффузия и теплопроводность), является приводящим к достижению равновесного состояния, отвечающего максимуму энтропии и минимуму свободной энергии.

Вязкость жидкостей | Вязкость воды, молока, бензина, нефти, спирта

Дата: 2008-12-10

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Это свойство обусловлено возникновением в движущейся жидкости сил внутреннего трения, ибо они проявляются только при ее движении благодаря наличию сил сцепления между ее молекулами. Характеристиками вязкости являются: динамический коэффициент вязкости μ и кинематический коэффициент вязкости ν .

Единицей динамического коэффициента вязкости в системе СГС является пуаз (П): 1 П=1 дина·с/см 2 =1 г/(см·с). Сотая доля пуаза носит название сантипуаз (сП): 1 сП=0,01П. В системе МКГСС единицей динамического коэффициента вязкости является кгс·с/м 2 ; в системе СИ - Па·с. Связь между единицами следующая: 1 П=0,010193 кгс·с/м 2 =0,1 Па·с; 1 кгс·с/м 2 =98,1 П=9,81 Па·с.

Кинематический коэффициент вязкости

ν = μ /ρ,

Единицей кинематического коэффициента вязкости в системе СГС является стокc (Ст), или 1 см 2 /с, а также сантистокс (сСт): 1 сСт=0,01 Ст. В системах МКГСС и СИ единицей кинематического коэффициента вязкости является м 2 /с: 1 м 2 /с=10 4 Ст.

Вязкость жидкости с повышением температуры уменьшается. Влияние температуры на динамический коэффициент вязкости жидкостей оценивается формулой μ = μ 0 · e ­a(t-t 0) , где μ = μ 0 - значения динамического коэффициента вязкости соответственно при температуре t и t 0 градусов; а - показатель степени, зависящий от рода жидкости; для масел, например, значения его изменяются в пределах 0,025-0,035.

Для смазочных масел и жидкостей, применяемых в машинах и гидросистемах, предложена формула, связывающая кинематический коэффициент вязкости и температуру:

ν t = ν 50 ·(50/t 0) n ,

где ν t - кинематический коэффициент вязкости при температуре t 0 ;
ν 50 - кинематический коэффициент вязкости при температуре 50 0 С;
t - температура, при которой требуется определить вязкость, 0 С;
n - показатель степени, изменяющийся в пределах от 1,3 до 3,5 и более в зависимости от значенияν 50 .

С достаточной точностью n может определяться выражением n =lgν 50 +2,7. Значения n в зависимости от исходной вязкости ν при 50 0 С приведены далее в таблице

Значения динамического и кинематического коэффициентов вязкости некоторых жидкостей приведены далее в таблице

Значение коэффициентов кинематической и динамической вязкости пресной воды

Источник: Вильнер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам.

Комментарии к этой статье!!

Ответ droghkin: А что делать студентам, которых интересует табличная вязкость воды в системе СГС? Если в школе учат работать только в СИ, то в универе после курса механики ты пошлёшь эту СИ далеко и надолго. Потому что считать в ней попросту неудобно.

Добавить Ваш комментарий

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

2.1. Свойства капельных жидкостей: плотность и вязкость, единицы измерения.

2.2. Свойства капельных жидкостей: сжимаемость,

температурное расширение, испаряемость, силы поверхностного натяжения.

2.3. Основные свойства газов

2.1. Основные свойства капельных жидкостей

Основная система единиц, применяемая в настоящее время это система СИ. Основными механическими единицами системы СИ являются: длина, измеряемая в метрах, масса, измеряемая в кг, время, измеряемое в секундах.

1. Плотностью называется масса вещества, содержащаяся в единице объема. Различают абсолютную и относительную плотность. Абсолютная плотность для однородной жидкости равняется величине массыМ жидкости в объемеV, поделенной на величину этого объемаV

ρ = М /V . (2.1)

Плотность измеряется в системе СИ в кг/м 3 , плотность пресной воды при 4ºС составляетρ в = 1000 кг/м 3 , морской водыρ мв = 1025 кг/м 3 , плотность рабочей жидкости МГ-30 при 20 ºСρ рж = 880 кГ/м 3 , плотность воздуха –ρ вз = 1,25 кг/м 3 .

Относительной плотностью называется отношение плотности жидкости при заданной температуре к плотности воды при температуре 4 °С, поскольку масса 1 л воды при 4 °С равна 1 кг. Относительная плотность обозначается δ .

Например, если 1 л бензина при 20 °С имеет массу 730 г, а 1 л воды при 4 °С - 1000 г, то относительная плотность бензина будет равна 0,73.

Относительная плотность для ртути δ рт = ρ рт /ρ в = 13600/1000 = 13,6, для воздуха δ вз = ρ вз /ρ в = 0,00125, для рабочей жидкости- масла на минеральной основе δ ж = ρ ж /ρ в = 880/1000 = 0,88

2. Удельным весом называют вес единицы объема жидкости. Для однородной жидкости удельный вес равняется величине весаG жидкости, поделенной на величину объемаV , который она занимает

γ = G /V (2.2)

Удельный вес измеряется в системе СИ в Н/м 3 .

В системе СИ удельный вес воды при 4ºС составляет γ = ρ в * g = 1000*9,81 = 9,81*10 3 Н/м 3 , удельный вес рабочей жидкости МГ-30 при 20 ºС составляетγ = 880*9,81 = 8,64*10 3 Н/м 3 .

Связь между удельным весом γ и плотностью ρ G = М g ,γ V = ρ Vg ,γ = ρ g (2.3)

В технической системе МКГСС – длина в метрах, основная единица – сила в килограммах силы(кГс), время в секундах.

Удельный вес воды в системе МКГСС равен γ в = 1000 кГс/м 3 , а рабочей жидкости γ рж = 880 кГс/м 3 .

Если жидкость неоднородна, то формулы (2.1) и (2.2) определяют средние значения удельного веса или плотности.

3. Вязкость жидкости.

Вязкостью жидкости называется способность сопротивляться деформации (сдвигу ее слоев).

Трение при движении вязкой жидкости было открыто Ньютоном, он высказал гипотезу о возникновении касательных напряжений между слоями жидкости.

Вязкость есть свойство противоположное текучести: в сравнении с водой более вязкие жидкости, такие как рабочие жидкости для гидросистем, являются менее текучими, более вязкими.

Кроме обычных подвижных жидкостей существуют очень вязкие жидкости, сопротивление малым деформациям которых значительно, но в состоянии покоя равно нулю. По мере увеличения вязкости такая жидкость все больше похожа на твердое тело. К таким жидкостям относится асфальт. Если бочку с горячим асфальтом опрокинуть, он весь вытечет за некоторое время и примет форму лепешки, с течением времени по этой лепешке можно будет ходить, а при ударе она разлетается на куски.

Для медленной деформации обычной жидкости необходимы весьма малые силы, при быстрой деформации жидкость подобно твердому телу оказывает значительное сопротивление. Но как только движение жидкости прекращается, это сопротивление исчезает.

При течении вязкой жидкости из-за тормозящего влияния неподвижного дна и трения слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают при удалении от твердого дна (рис. 2.1). Скорость V тем меньше, чем ближе слой жидкости к неподвижной стенке, приу = 0 , V = 0 .

Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиеся на расстоянии Δу . Слой А движется со скоростью V , слой В со скоростьюV + Δ V . Из-за разности скоростей слой В сдвигается относительно слоя А на величинуΔ V (за единицу времени). ВеличинаΔ V является абсолютным сдвигом слоя В, а отношение Δυ/ Δy – относительный сдвиг или градиент скорости. При сдвиге аналогично явлению сдвига в твердых телах появляются касательные напряжения τ.

Ньютон получил зависимость между касательным напряжением и деформацией

τ = μ(Δυ/ Δy ) .

При стремлении величины Δy →0 слои будут бесконечно сближаться и можно перейти к дифференциалам.

Закон Ньютона о трении в жидкости:

τ = μ(d υ/ dy ) (2.4).

Коэффициент пропорциональности μ в формуле для определения касательного напряжения в жидкости называется динамической(абсолютной) вязкостью и характеризует сопротивляемость жидкости сдвигу.

Экспериментально этот закон был подтвержден нашим соотечественником профессором Н.П. Петровым в 1883 г.

Из закона трения выражаемого уравнением (2.4), следует, что напряжения трения возможны только в движущейся жидкости, вязкость проявляется при течении жидкости, в покоящейся жидкости касательные напряжения считаются равными нулю.

Сила сопротивления сдвигу Т называется силой внутреннего трения, при постоянстве касательного напряжения на поверхности S . Эта сила выражается формулой Ньютона

Т = τ S = ± μ (d υ/ dy ) S , (2.2)

где μ - тот же коэффициент пропорциональности, что и в формуле для касательного напряжения в жидкости. Знак перед значением силы выбирается в зависимости от знака градиента так, чтобы сила имела положительное значение.

Размерность динамической вязкости можем получить из формулы для касательного напряжения

[μ] = [τ]/[(d υ/ dy )] (2.3).

В системе СИ единица динамической вязкости называется «Паскаль- секунда».

В системе СГС единица динамической вязкости называется «Пуаз» в честь французского врача Пуазейля, исследовавшего законы движения крови в сосудах. 1 Пуаз = 1 (дина*сек)/см 2 .

Наряду с понятием динамической вязкости в гидравлике используют понятие кинематической вязкости.

Кинематической вязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности

υ= μ/ ρ (2.4).

В размерности кинематической вязкости отсутствуют единицы силы, ее легко измерить с помощью приборов носящих название вязкозиметров.

Единицей измерения кинематической вязкости с системе СИ является м 2 /с, например вода приt= 20°С имеет кинематическую вязкость 10 -6 м 2 /с. В системе СГС единица измерения кинематической вязкости равна 1 см 2 /с и называется Стокс(Ст) в честь английского ученого Стокса, сотая доля стокса называется сантиСтоксом (сСт).

Рабочая жидкость на минеральной основе МГ-30 имеет вязкость при t= 20°С равную 150 сСт = 150 мм 2 /с = 1,5Ст = 1,5 см 2 /с = 1,5е-4 м 2 /с.

Вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается. Вязкость газов, с увеличением температуры возрастает. Объясняется это различием молекулярного строения. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления.

Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах вязкость обусловлена, главным образом, беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повышением температуры. Поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает.

Обычно влияние температуры на вязкость оценивается с помощью экспериментальных графиков в справочной литературе. Однако, влияние температуры и давления на вязкость жидкостей можно оценить с помощью экспоненциальных зависимости, связывающей вязкость и температуру, а также давление и температуру.

Вязкость рабочей жидкости при увеличении температуры уменьшается, при этом теряется смазывающая способность рабочей жидкости. Возникает износ, прогорание трущихся поверхностей насосов и подшипников, что может привести к авариям. Допустимый верхний предел применения рабочей жидкости ВМГЗ(зимнее) равен 65ºС, вязкость 8 сСт, РЖ –МГ-30(летнее) 80 ºС.

Зависимость вязкости от давления проявляется при давлениях в несколько десятков МПа. С увеличением давления вязкость большинства жидкостей возрастает.

Например, если вязкость воды при давлении 1 атм и 20 ºС принять за единицу, при той же температуре и давлении 100 МПа она вырастет в 4 раза.

Наиболее распространенным является вискозиметр Энглера, который представляет собой цилиндрический сосуд, окруженный водяной ванной определенной температуры с насадком, встроенным в дно. Градус Энглера, назван по имени немецкого химика Энглера, у нас он называется внесистемная единица условной вязкости жидкостей или градус ВУ, и применяется в технике для оценки вязкости жидкостей.

Для измерения условий вязкости приняты градусы Энглера (°Е), которые представляют собой показания вискозиметра при 20, 50 и 100°С и обозначаются соответственно °E20;°E50 и °E100 .

Значение вязкости в градусах Энглера, например, °E20 есть отношение времени истечения t ж через отверстие вязкозиметра с объемом V = 200 см 3 испытуемой жидкости к времени истечения такого же количества дистиллированной воды tвод = t вод = 51,6 с при 20 °С.

1 °E20 =t ж/ t вод .

Для пересчета градусов Энглера в стоксы в случае минеральных масел применяют формулу

υ =0,07З*(°Е) - 0,063/(°Е) (2.3а)

4. Сжимаемость - свойство жидкости изменять объем под действием давления, характеризуетсякоэффициентом объемного сжатия , который представляет собой относительное изменение объема ΔV = V 1 - V 2 при изменении давления ΔР на единицу давления,V 1 – первоначальный объем,V 2 – конечный объем.

(2.4)

Коэффициент объемного сжатия в системе СИ измеряется в м 2 /Н или Па -1 .

Увеличению давления Р 2 >Р 1 соответствует уменьшение объемаV 2 <V 1, поэтому в формуле имеется знак минус. Рассматривая конечные приращенияΔР = Р 2 - Р 1 и

Δ V = V 2 -V 1 и, считаяβ р постоянным, получаем,

V 2 ≈ V 1 *(1 -β р *Δ P ) , (2.5)

учитывая равенство ρ = m /V (1.4), находим приближенную формулу для определения плотности при увеличении давленияρ 2 ≈ ρ 1 /(1 -β р *Δр ) (2.6)

гдеρ 2 иρ 1 - плотности приР 2 иР 1 .

Величина обратная коэффициенту β р , называется объемным модулем упругости (ОМУ)

К = 1 / β р (2.7).

Изменение объема может быть выражено через ОМУ

V 2 ≈ V 1 *(1 -Δ P /К) (2.8)

Размерность ОМУ – Н/м 2 такая же, как размерность давления.

Используя объемный модуль упругости К и разности объемов можно записать в зависимость, которую называют обобщенным законом Гука для жидкости.

, (2.9)

Объемный модуль упругости К уменьшается с увеличением температуры и возрастает с повышением давления.

Для воды он составляет при атмосферном давлении приблизительно Кв = 2000 МПа. Следовательно, при повышении давления на0,1 МПа(1 ат) объем воды уменьшается всего лишь на 1/20 000(одна двадцатитысячная) часть.

Такого же порядка модуль упругости и для других капельных жидкостей, например, для минеральных масел он равен приблизительно Крж = 1200 МПа. Приведенные выше значения ОМУ являются значениями изотермического модуля.

Различают адиабатный и изотермический модуль упругости. Первый больше второго приблизительно в 1,5 раза и проявляется при быстротекущих процессах сжатия жидкости без теплообмена.

Используя эти значения ОМУ по формуле (2.7), можно определить: при повышении давления воды до 40 МПа ее плотность повышается лишь на 2 %, а минерального масла на 3 %. Поэтому в большинстве случаев капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми, т. е. принимать их плотность не зависящей от давления, но при очень высоких давлениях и упругих колебаниях сжимаемость жидкостей следует учитывать.

5. Температурное расширение характеризуетсякоэффициентом объемного расширения , который представляет собой относительное изменение объема при изменении температурыТ па 1°С и постоянном давлении, т. е.

β т =
(2.8)

Рассматривая разности ΔV = V 2 -V 1 иΔТ= Т 2 - Т 1 и, принимаяβ т постоянным, получаем объем жидкости при изменении температуры

V 2 =V 1 (1+β т*ΔТ ),

учитывая равенство ρ = М /V , находим приближенную формулу для определения плотности жидкости при изменении температуры

ρ 2 =ρ 1 /(1+β т*ΔТ), (2.9)

где ρ 2 иρ 1 - плотности при температурах Т 2 и Т 1 .

Для воды коэффициент β т возрастает с увеличением давления и температуры, при при 100 и 10 МПа,β т = 700*10 -6 . Для минеральных масел в диапазоне давлений от 0 до 15 МПаβ т можно принимать равным 800*10 -6 .

Например, объем гидросистемы составлял 1200 л=1,2 м3, исходная температура была 20°С. Гидросистема во время работы нагрелась до 40°С, разница в температуре составила 20°С,

V 2 =V 1 (1+β т*ΔТ ) = 1,2 = 1,219 м3.

Объем увеличился на 1,219- 1,2 = 0,019м3 = 1,9л.

6. Сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей по молекулярной теории может быть весьма значительно. При опытах с тщательно очищенной и дегазированной водой в ней были получены кратковременные напряжения растяжения до 23-28 МПа. Однако технически чистые жидкости, содержащие взвешенные твердые частицы и мельчайшие пузырьки газов, не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения. Поэтому считают, что напряжения растяжения в капельных жидкостях невозможны.

7.Силы поверхностного натяжения . Свободная поверхность жидкости горизонтальна по всей поверхности раздела между жидкой и газообразной средой, кроме точек вблизи твердой стенки сосуда, где проявляются молекулярные силы взаимодействия твердого стенок с жидкостью рис.2.4а. На поверхности раздела жидкости и воздуха действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму. Это явление проявляется также при выливании капли жидкости на твердую поверхность, рис.2.4б.

Поверхность у стенок сосуда искривлена (рис.2.4), и искривление сопровождается появлением дополнительного давления. Касательная к проекции сферической поверхности, направленная в сторону стенок трубки в зависимости от смачивания (рис.2г) или не смачивания (рис.2д) твердой поверхности жидкостью может иметь разный краевой угол θ, соответствующий смачиванию или его отсутствию.

Трубка небольшого диаметра, в которой отсутствует горизонтальный участок поверхности раздела, называется капилляром. В этой трубке дополнительное давление может поднимать уровень жидкости (при смачивании) или опускать его.

Дополнительное давление, возникающее в капилляре определяется формулой

Р = 2σ/ r ,

где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;r - радиус сферы, которая формируется в соответствие со свойствами жидкости и воздействием внешней среды и приблизительно равна радиусу капилляра.

Коэффициент σ, размерность которогоН/м, имеет следующие значения для разных жидкостей, граничащих с воздухом при температуре 20°С:

для воды 73*10 -4 ,

для спирта 22*10 -4 ,

для керосина 27*10 -4 ,

для ртути 460*10 -4 .

С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Высоту подъема смачивающей жидкости или опускания несмачивающей жидкости в стеклянной трубке диаметром dопределяют по формуле для полусферического мениска

h= 2σ /dρg. (2.10)

С явлением капиллярности приходится сталкиваться при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкости. Большое значение приобретают силы поверхностного натяжения в жидкости, находящейся в условиях невесомости. Этим явлением объясняется всасывающее действие промокательной бумаги.8. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова и зависит от условий, в которых они находятся. Испарение – процесс перехода жидкости в газообразное состояние.

Если объем пространства над жидкостью достаточно велик, испарение продолжается до исчезновения жидкости (выкипание чайника). Если объем недостаточно велик, часть молекул жидкости конденсируется и возвращается в жидкое состояние и испарение продолжается до наступления динамического равновесия, когда число испаряющихся и конденсирующихся молекул выравниваются. В окружающем жидкость пространстве устанавливается давление, называемое давлением насыщенных паров Рн.п. Одним из показателей характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении;чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости.

Давление насыщенных паров Р н.п. может быть выражено в функции температуры. Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. С увеличением температуры давление Рн.п. увеличивается, однако у разных жидкостей в разной степени (рис. 2.6).

Для сложных жидкостей, представляющих собой многокомпонентные смеси, если бензин или рабочая жидкость, содержат растворенный воздух, давление Рн.п. зависит не только от физико-химических свойств и температуры, но и от соотношения объемов жидкой и паровой фаз. Давление насыщенных паров возрастает с увеличением части объема занятого жидкой фазой. Обычно значения упругости паров сложных жидкостей даются для отношения паровой и жидкой фаз, равного 4: 1.

Максимально возможный в рабочей жидкости вакуум ограничен при данной температуре давлением насыщенных паров

Р вмакс = Р ат – Р нп .

9. Растворимость газов в жидкостях характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости, различна для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления.

Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, т. е.

V г = k V ж (P / P 0 ),

где V г - объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям, (Р 0 , Т 0);V ж - объем жидкости;k - коэффициент растворимости;Р -давление жидкости.

Коэффициент k имеет следующие значения при 20 °С: для воды 0,016, для керосина 0,13, для минеральных масел 0,08 - 0,1.

При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворятся в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

10. Смазывающая способность – свойство жидкости обеспечивать наименьшее трение и износ металлических поверхностей деталей под нагрузкой. При пуске механизмов или при разрыве несущего слоя масляной пленки, неровности соприкасающихся деталей контактируют друг с другом, возникают значительные силы трения, если смазывающая способность не будет обеспечена. Оценка смазывающей способности затруднительна, но принимается во внимание при конструировании изделий гидравлики.