Viskositet

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 18. juni 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Viskositet ( intern friktion ) er et af overførselsfænomenerne, flydende legemers ( væsker og gasser ) egenskab til at modstå bevægelsen af en af deres dele i forhold til en anden. Som følge heraf spredes det makroskopiske arbejde , der er brugt på denne bevægelse, i form af varme. Faste stoffer (glas, metaller, halvledere, dielektrika, ferromagneter) [1] kan også have viskositet, men indre friktion i faste stoffer, på grund af fænomenets særlige forhold, betragtes normalt separat i teorien om elasticitet og plasticitet .

Mekanismen for intern friktion i væsker og gasser er, at bevægelige molekyler overfører momentum fra et lag til et andet, hvilket fører til justering af hastigheder - dette beskrives ved indførelsen af en friktionskraft. Viskositeten af faste stoffer har en række specifikke egenskaber og betragtes normalt separat.

Der er dynamisk viskositet (enhed i International System of Units (SI) - pascal - sekund , Pa s, i CGS -systemet - poise , P; 1 Pa s \u003d 10 P, 1 cP \u003d 10 −3 Pa s \ u003d 1 MPa s) og kinematisk viskositet (enhed i SI - m 2 / s , i CGS - stokes , St; 1 St = cm 2 / s = 10 −4 m 2 / s, 1 cSt = 1 mm 2 / s = 10 −6 m 2 /s; ikke-systemisk enhed - grad Engler ). Kinematisk viskositet kan opnås som forholdet mellem dynamisk viskositet og massefylden af et stof og skyldes dens oprindelse de klassiske metoder til måling af viskositet, såsom måling af den tid, det tager et givet volumen at strømme gennem en kalibreret åbning under påvirkning af tyngdekraften . En anordning til måling af viskositet kaldes et viskosimeter .

Overgangen af et stof fra en flydende til en glasagtig tilstand er sædvanligvis forbundet med opnåelsen af en viskositet i størrelsesordenen 10 11 -10 12 Pa·s.

Kraften af viskøs friktion

Hvis parallelle flade legemer med areal S hver, placeret i en lille afstand h , bevæger sig i samme plan med en hastighed i forhold til hinanden, og rummet mellem legemerne er fyldt med væske eller gas, så påvirkes hver af dem af en kraft, i det enkleste tilfælde, proportional med den relative hastighed og areal S og omvendt proportional med afstanden mellem legemerne h : $\vec{v}$ $\vec{v}$

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

Proportionalitetsfaktoren, afhængigt af væskens eller gassens art, kaldes dynamisk viskositetskoefficient . Denne lov blev foreslået af Isaac Newton i 1687 og bærer hans navn ( Newtons viskositetslov ). Eksperimentel bekræftelse af loven blev opnået i begyndelsen af det 19. århundrede i Coulombs forsøg med torsionsvægte og i Hagen og Poiseuilles forsøg med vandstrømmen i kapillærer [2] .

Denne kraft kaldes den viskøse friktionskraft. Dens kvalitative forskel fra tør friktion er blandt andet, at den er proportional med hastigheden. Derfor, i nærværelse af kun viskøs friktion og en vilkårligt lille ekstern kraft, vil kroppen nødvendigvis sætte i bevægelse, det vil sige, for viskøs friktion er der ingen statisk friktion .

Anden viskositet

Den anden viskositet eller bulkviskositet er intern friktion under momentumoverførsel i bevægelsesretningen. Det påvirker kun, når der tages højde for kompressibilitet og (eller) når der tages hensyn til heterogeniteten af koefficienten for den anden viskositet i rummet.

Hvis den dynamiske (og kinematiske) viskositet karakteriserer den rene forskydningsdeformation, så karakteriserer den anden viskositet den volumetriske kompressionsdeformation.

Bulkviskositet spiller en stor rolle i dæmpningen af lyd- og stødbølger og bestemmes eksperimentelt ved at måle denne dæmpning.

Viskositet af gasser

I den kinetiske teori om gasser beregnes den indre friktionskoefficient ved formlen

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

hvor er den gennemsnitlige hastighed af den termiske bevægelse af molekyler, er den gennemsnitlige frie vej. Især af dette udtryk følger det, at viskositeten af ikke meget fortærnede gasser er praktisk talt uafhængig af trykket, da massefylden er direkte proportional med trykket, og vejlængden er omvendt proportional. Den samme konklusion følger for andre kinetiske koefficienter for gasser, for eksempel for den termiske konduktivitetskoefficient . Denne konklusion er dog kun gyldig, indtil gassens sjældenhed bliver så lille, at forholdet mellem den frie vej og fartøjets lineære dimensioner ( Knudsen tal ) ikke bliver lig i størrelsesordenen en; især foregår dette i Dewar-kar (termoser). $\langle u\rangle$ $\langle \lambda \rangle$ $\rho$ $\langle \lambda \rangle$

Med stigende temperatur stiger viskositeten af de fleste gasser, dette skyldes en stigning i den gennemsnitlige hastighed af gasmolekyler , der vokser med temperaturen som . $u$ ${\sqrt {T}}$

Effekt af temperatur på viskositeten af gasser

I modsætning til væsker stiger viskositeten af gasser med stigende temperatur (for væsker falder den med stigende temperatur).

Sutherlands formel kan bruges til at bestemme viskositeten af en ideel gas som funktion af temperaturen: [3]

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

hvor

μ er den dynamiske viskositet (i Pa s) ved en given temperatur T ; μ 0 - kontrolviskositet (i Pa s) ved en vis kontroltemperatur T 0 ; T er den indstillede temperatur i kelvin ; T 0 - kontroltemperatur i kelvin; C er Sutherlands konstant for den gas, hvis viskositet skal bestemmes.

Denne formel kan anvendes for temperaturer i området 0 < T < 555 K og ved tryk mindre end 3,45 MPa med en fejl på mindre end 10 % på grund af viskositetens afhængighed af tryk.

Sutherlands konstante og referenceviskositeter for gasser ved forskellige temperaturer er vist i tabellen nedenfor:

Gas	C , K	T0 , K	μ 0 , μPa s
Luft	120	291,15	18.27
Nitrogen	111	300,55	17,81
Ilt	127	292,25	20.18
Carbondioxid	240	293,15	14.8
Carbonmonoxid	118	288,15	17.2
Brint	72	293,85	8,76
Ammoniak	370	293,15	9,82
Svovl(IV)oxid	416	293,65	12.54
Helium	79,4 [4]	273	19 [5]

Viskositet af væsker

Dynamisk viskositet

Intern friktion af væsker , ligesom gasser, opstår, når en væske bevæger sig på grund af overførsel af momentum i en retning vinkelret på bevægelsesretningen. For de såkaldte newtonske væsker (som er flertallet omkring os) er den generelle lov om indre friktion gyldig - Newtons lov :

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

Viskositetskoefficienten (dynamisk viskositetskoefficient, dynamisk viskositet) kan udledes af overvejelser om molekylære bevægelser. Det vil naturligvis være jo mindre, jo kortere tiden t for "afvikling" af molekyler. Disse overvejelser fører til et udtryk for viskositetskoefficienten kaldet Frenkel-Andrade-ligningen : $\eta$ $\eta$

\eta =Ce^{w/kT}.

En anden formel, der repræsenterer viskositetskoefficienten, blev foreslået af Bachinsky [6] . Som vist bestemmes viskositetskoefficienten af intermolekylære kræfter afhængigt af den gennemsnitlige afstand mellem molekyler; sidstnævnte bestemmes af stoffets molvolumen . Talrige forsøg har vist, at der er en sammenhæng mellem molvolumen og viskositetskoefficienten $V_{M}$

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

hvor:

c

er en konstant karakteristik af en bestemt væske;

V_{C}

er volumen optaget af væskepartiklerne.

Den dynamiske viskositet af væsker falder med stigende temperatur og stiger med stigende tryk.

Kinematisk viskositet

Især inden for ingeniørarbejde, ved beregning af hydrauliske drev og i tribologisk ingeniørarbejde, er man ofte nødt til at forholde sig til mængden

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

og denne værdi kaldes kinematisk viskositet [7] .

Her er densiteten af væsken; er koefficienten for dynamisk viskositet. $\rho$ $\eta$

Kinematisk viskositet i ældre kilder er ofte angivet i centistokes (cSt). I SI er denne værdi oversat som følger: 1 cSt \u003d 1 mm 2 / s \u003d 10 −6 m 2 / s.

Nominel viskositet

Relativ viskositet - en værdi, der indirekte karakteriserer den hydrauliske modstand mod strømning, målt ved udløbstidspunktet for et givet volumen opløsning gennem et lodret rør (med en vis diameter). Målt i grader Engler (opkaldt efter den tyske kemiker K. O. Engler), betegnet - ° VU. Den bestemmes af forholdet mellem udstrømningstiden på 200 ml af testvæsken ved en given temperatur fra et specielt viskosimeter og udløbstiden for 200 ml destilleret vand fra samme anordning ved 20 °C. Betinget viskositet op til 16 °VU omdannes til kinematisk i henhold til GOST-tabellen, og betinget viskositet over 16 °VU i henhold til formlen

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

hvor - kinematisk viskositet (i m 2 / s) og - betinget viskositet (i ° VU) ved temperatur t . $\nu$ ${\displaystyle E_{t))$

Newtonske og ikke-newtonske væsker

Newtonske væsker er væsker, for hvilke viskositeten ikke afhænger af belastningshastigheden. I Navier-Stokes-ligningen for en Newtonsk væske er der en viskositetslov svarende til ovenstående (faktisk en generalisering af Newtons lov eller Navier-Stokes-loven [8] ):

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

hvor er den viskøse stresstensor . $\sigma _{i,j}$

Blandt ikke-newtonske væsker skelnes pseudoplastik og dilatantvæsker i henhold til viskositetens afhængighed af belastningshastigheden . En model med ikke-nul forskydningsspænding (virkningen af viskositet svarer til tør friktion ) er Bingham-modellen . Hvis viskositeten ændres over tid, siges væsken at være tixotrop. For ikke-Newtonske væsker er viskositetsmåleteknikken af afgørende betydning.

Når temperaturen stiger, falder viskositeten af mange væsker. Dette skyldes, at den kinetiske energi af hvert molekyle stiger hurtigere end den potentielle energi af interaktion mellem dem. Derfor forsøger alle smøremidler altid at afkøle, ellers truer det med en simpel lækage gennem knuderne.

Viskositet af amorfe materialer

Viskositeten af amorfe materialer (for eksempel glas eller smelter) er en termisk aktiveret proces [9] :

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

hvor

Q

er aktiveringsenergien af viskositet (J/mol);

T

— temperatur ( K );

R

— universel gaskonstant (8,31 J/mol K);

EN

er nogen konstant.

Viskos strømning i amorfe materialer er karakteriseret ved en afvigelse fra Arrhenius-loven : Viskositetens aktiveringsenergi ændres fra en stor værdi ved lave temperaturer (i en glasagtig tilstand) til en lille værdi ved høje temperaturer (i en flydende tilstand). Afhængigt af denne ændring klassificeres amorfe materialer som enten stærke når , eller sprøde når . Amorfe materialers skørhed er numerisk karakteriseret ved Dorimus-skørhedsparameteren : stærke materialer har , mens sprøde materialer har . $Q$ $Q_{H}$ $Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}$ $(Q_{H}-Q_{L})\geqslant Q_{L}$ $R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}$ $R_{D}<2$ $R_{D}\geqslant 2$

Viskositeten af amorfe materialer er ret nøjagtigt tilnærmet af den to-eksponentielle ligning [10]

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

med konstanter , , , og , forbundet med de termodynamiske parametre for de forbindende bindinger af amorfe materialer. $A_{1}$ $A_{2}$ $B$ $C$ $D$

I snævre temperaturintervaller tæt på glasovergangstemperaturen tilnærmes denne ligning af formler af VTF- typen eller komprimerede Kohlrausch-eksponenter . $T_{g}$

Hvis temperaturen er væsentligt lavere end glasovergangstemperaturen, reduceres den to-eksponentielle viskositetsligning til en ligning af Arrhenius-typen ${\displaystyle T<T_{g))$

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

med høj aktiveringsenergi , hvor er entalpien for at bryde de forbindende bindinger, det vil sige skabelsen af konfigurationer , og er entalpien for deres bevægelse. Dette skyldes det faktum, at amorfe materialer ved , er i en glasagtig tilstand og har langt de fleste forbindelsesbindinger intakte. $Q_{H}=H_{d}+H_{m}$ $H_{d}$ $H_{m}$ ${\displaystyle T<T_{g))$

Ved reduceres den to-eksponentielle viskositetsligning også til en ligning af Arrhenius-typen ${\displaystyle T\gg T_{g))$

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

men med lav aktiveringsenergi . Dette skyldes det faktum, at når amorfe materialer er i en udrettet tilstand, og langt størstedelen af forbindelsesbindingerne ødelægges, hvilket letter materialets fluiditet. $Q_{L}=H_{m}$ ${\displaystyle T\gg T_{g))$

Relativ viskositet

I tekniske videnskaber bruges begrebet relativ viskositet ofte , hvilket forstås som forholdet mellem den dynamiske viskositetskoefficient (se ovenfor) af opløsningen og den dynamiske viskositetskoefficient for et rent opløsningsmiddel:

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

hvor

μ er opløsningens dynamiske viskositet; μ 0 er opløsningsmidlets dynamiske viskositet.

Viskositet af nogle stoffer

For fly- og skibsbygning er det vigtigst at kende viskositeterne af luft og vand.

Luftens viskositet

Luftens viskositet afhænger hovedsageligt af temperaturen. Ved 15,0 °C er luftens viskositet 1,78⋅10 −5 kg/(m s) = 17,8 µPa s = 1,78⋅10 −5 Pa s. Du kan finde luftens viskositet som funktion af temperaturen ved hjælp af programmer til beregning af gassers viskositet [11] .

Vandets viskositet

Vands dynamiske viskositet er 8,90 10 −4 Pa s ved en temperatur på omkring 25 °C. Som funktion af temperatur: T = A × 10 B /( T − C ) , hvor A = 2,414 10 −5 Pa s, B = 247,8 K, C = 140 K.

Værdierne for den dynamiske viskositet af flydende vand ved forskellige temperaturer op til kogepunktet er angivet i tabellen:

Temperatur, °C	Viskositet, mPa s
ti	1,308
tyve	1.002
tredive	0,7978
40	0,6531
halvtreds	0,5471
60	0,4668
70	0,4044
80	0,3550
90	0,3150
100	0,2822

Dynamisk viskositet af forskellige stoffer

Følgende er værdierne for den dynamiske viskositetskoefficient for nogle newtonske væsker :

Viskositet af visse typer gasser

Gas	ved 0 °C (273 K), µPa s	ved 27 °C (300 K), µPa s
luft	17.4	18.6
brint	8.4	9,0
helium		20.0
argon		22.9
xenon	21.2	23.2
carbondioxid		15,0
metan		11.2
ethan		9.5

Viskositet af væsker ved 25 °C

Væske	Viskositet, Pa s	Viskositet, mPa s
acetone	3,06 10 −4	0,306
benzen	6,04 10 −4	0,604
blod (ved 37 °C)	(3—4) 10 −3	3-4
Ricinusolie	0,985	985
majssirup	1,3806	1380,6
ethanol	1,074 10 -3	1,074
ethylenglycol	1,61 10 −2	16.1
glycerin (ved 20 °C)	1,49	1490
brændselsolie	2.022	2022
kviksølv	1,526 10 -3	1,526
methylalkohol	5,44 10 −4	0,544
SAE 10 motorolie (ved 20°C)	0,065	65
motorolie SAE 40 (ved 20 °C)	0,319	319
nitrobenzen	1,863 10 -3	1,863
flydende nitrogen (ved 77K)	1,58 10 −4	0,158
propanol	1,945 10 −3	1.945
olivenolie	0,081	81
tonehøjde	2,3 10 8	2,3 10 11
svovlsyre	2,42 10 −2	24.2
vand	8,94 10 −4	0,894

Noter

↑ Intern friktion i metaller, halvledere, dielektrikum og ferromagneter: Lør. artikler / red. F. N. Tavadze . — M .: Nauka, 1978. — 235 s. (Russisk)
↑ Om nogle fejl i hydrodynamikkurser Arkiveret 22. december 2015 på Wayback Machine , s. 3-4.
↑ Alexander J. Smits, Jean-Paul Dussauge Turbulente forskydningslag i supersonisk flow Arkiveret 17. juli 2017 på Wayback Machine . - Birkhäuser, 2006. - S. 46. - ISBN 0-387-26140-0 .
↑ Datakonstanter for Sutherlands formel Arkiveret 6. marts 2018 på Wayback Machine .
↑ Viskositet af væsker og gasser Arkiveret 3. oktober 2017 på Wayback Machine .
↑ Khmelnitsky R. A. Fysisk og kolloid kemi: Lærebog for landbrugsspecial. universiteter. - M . : Højere skole, 1988. - S. 40. - 400 s. - ISBN 5-06-001257-3 .
↑ Popov D.N. Dynamik og regulering af hydro- og pneumatiske systemer: Proc. for ingeniøruniversiteter. - M . : Mashinostroenie, 176. - S. 175. - 424 s.
↑ Sedov L.I. Continuum Mechanics Arkiveksemplar dateret 28. november 2014 på Wayback Machine . T. 1. - M .: Nauka, 1970. - S. 166.
↑ Frenkel Ya. I. Kinetisk teori om væsker. - Leningrad, Nauka, 1975. - s. 226.
↑ Ojovan M. Viskøs flow og viskositeten af smelter og glas. Physics and Chemistry of Glasses, 53 (4) 143-150 (2012).
↑ Gasviskositetsberegner arkiveret 21. juli 2011 på Wayback Machine .

Se også

Litteratur

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 Kontinuum mekanik. T. 1. - M .: Nauka, 1970. - 492 s.
P. N. Gedyk, M. I. Kalashnikova. Smøring af metallurgisk udstyr. - M .: Metallurgi, 1976. - 380 s.
I. F. Golubev. Viskositet af gasser og gasblandinger. — M.: Fizmatlit, 1959.
Ed. FN Tavadze Intern friktion i metaller, halvledere, dielektrika og ferromagneter. - M., Nauka, 1978. - 235 s.

Links

Arinshtein A. Sammenlignende viskosimeter for Zhukovsky // Kvant , nr. 9, 1983.
Måling af olieprodukters viskositet
Bulkin P. S. Popova I. I. Generelt fysisk praktisk arbejde. Molekylær fysik
Grad af betinget viskositet // Stor encyklopædisk polyteknisk ordbog . – 2004.
Vandets viskositet

Ordbøger og encyklopædier

I bibliografiske kataloger
BNE : XX534455 BNF : 11976017g GND : 4063625-2 J9U : 987007541427705171 LCCN : sh85143858 NDL : 00568098 NKC : ph117913

Viskositet

Kraften af ​​viskøs friktion

Anden viskositet

Viskositet af gasser

Effekt af temperatur på viskositeten af ​​gasser

Viskositet af væsker

Dynamisk viskositet

Kinematisk viskositet

Nominel viskositet

Newtonske og ikke-newtonske væsker

Viskositet af amorfe materialer

Relativ viskositet

Viskositet af nogle stoffer

Luftens viskositet

Vandets viskositet

Dynamisk viskositet af forskellige stoffer

Noter

Se også

Litteratur

Links

Kraften af viskøs friktion

Effekt af temperatur på viskositeten af gasser