Вискозитет: Разлика между версии
Изтрито е съдържание Добавено е съдържание
м overlinking |
Допълнение, разширение, редактиране, източници. |
||
Ред 3:
'''Вискозитетът''' е мярка за съпротивлението на [[флуид]] срещу преместването на едни негови пластове спрямо други. Възприема се като „гъстота“ или съпротивление при изливане. Вискозитетът представя вътрешното съпротивление (напрежение) на флуида да изтича и може да бъде считан като мярка за [[триене]]то на флуида. Така водата е „рядка“, тъй като има малък вискозитет, докато растителното масло е „гъсто“, защото има голям вискозитет.
== Теоретична обосновка на Нютон и видове вискозитет ==
Когато [[срязващо усилие]] е приложено на [[твърдо тяло]], тялото се деформира, докато деформацията породи противодействаща сила, която балансира приложената сила до достигане на равновесие. Когато напречно усилие е приложено върху [[флуид]] (тъй както [[вятър]]ът духа върху повърхността на [[океан]]а), флуидът започва да тече и продължава да тече, докато е приложено усилието. Когато усилието е премахнато, по принцип потокът се разпада поради вътрешно разсейване на [[енергия]]та. Колкото е по-гъст флуидът, толкова по-голямо е съпротивлението му на срязващи напрежения и по-бързо е затихването на потока му.
Принципно във всеки поток слоевете се движат с различни [[скорост]]и и „гъстотата“ на флуида възниква от напрежението на срязване между слоевете, което изключително се съпротивлява на всяка приложена сила.
[[Исак Нютон]] постулира, че за прав, паралелен и равномерен поток, срязващото напрежение <math>\tau</math> между слоевете е пропорционално на [[градиент]]а на скоростта
:<math>\tau=\mu \frac{\partial u}{\partial y}</math>.
Тук константата μ е известна като '''коефициент на вискозност''', '''вискозитет''', или '''динамичен вискозитет'''. Много флуиди като водата и повечето газове удовлетворяват критерия на Нютон и са известни като [[нютонов флуид|''нютонови'' (идеални) флуиди]]. Течностите се наричат нютонови, ако вискозитетът не зависи от скоростта на деформация. Не-нютоновите флуиди проявяват по-сложна от линейната зависимост между срязващите напрежения и градиента на скоростта.
В доста изчислителни случаи се използва отношението на вискозната сила към инерционната сила; последната е характеризирана от плътността на флуида ρ. Това отношение се характеризира от '''кинематичния вискозитет''', определен като:
:<math>\nu = \frac {\mu} {\rho}</math>.
Кинематичният вискозитет е отношение на динамичния вискозитет към плътността на веществото и дължи произхода си на класически методи за измерване на вискозитета, като например измерване на времето, през което даден обем изтича през калибрирана дупка под действието на гравитацията.
[[Джеймс Кларк Максуел]] нарича вискозитета ''бягаща еластичност'' поради аналогията на съпротивлението при еластичната деформация на твърдите тела при напрежения на срязване. Вискозитетът е основният механизъм за разсейване енергията на движението на флуида, предимно като топлина.
'''Условният вискозитет''' е стойност, която индиректно характеризира хидравличното съпротивление на потока, измерено от времето, през което даден обем разтвор протича през вертикална тръба (с определен диаметър). Измерва се в [[Градус Енглер|градуси Енглер]] (кръстен на немския химик К. О. Енглер), обозначава се '''°Е'''. Определя се от съотношението на времето на потока от 200 ml от изпитваната течност при дадена температура от специален вискозиметър към времето на изтичане на 200 ml дестилирана вода от същото устройство при 20 °C. Условният вискозитет до 16 °Е се преобразува в кинематичен съгласно таблица в БДС, а условен вискозитет над 16 °Е – съгласно формулата
[[File:Viscosities.gif|мини|Изливане на флуид с малък вискозитет (вляво) и голям вискозитет (вдясно)]]
: <math>\nu = 7,4 \cdot 10^{-6} E_t,</math>
където <math>\nu</math> е кинематичният вискозитет (в m<sup>2</sup> / s), а <math>E_t</math> е условният вискозитет (в ° Е) при температура t.
'''Относителен вискозитет''' се нарича отношението на динамичния вискозитет на разтвора към динамичния вискозитет на чист разтворител:
: <math>\mu' = \frac{\mu}{\mu_r},</math>
където μ е динамичният вискозитет на разтвора; μ<sub>r</sub> е динамичният вискозитет на разтворителя.
== Измерване ==
В системата [[SI]] единицата за ''динамичен'' вискозитет е паскал-секунда (Pa·s), която е идентична на 1 [[нютон (единица)|N]]·[[секунда|s]]/[[метър|m]]<sup>2</sup> или 1 kg/(m·s). В системата [[CGS]] единицата за динамичен вискозитет е [[поаз]]; 1 Pa·s = 10 поаза, 1 поаз = 1 g/(cm·s).
В системата [[SI]] единицата за ''кинематичен'' вискозитет е m<sup>2</sup>/s. В системата CGS единицата за кинематичен вискозитет е [[стокс]]; 1 Ст = cm<sup>2</sup>/s.
Преминаването на вещество от течно в стъкловидно състояние обикновено се свързва с постигането на вискозитет от порядъка на 10<sup>11</sup>-10<sup>12</sup> Pa·s.
Уредът за измерване на вискозитета се нарича [[вискозиметър]].
== Вискозитет на някои вещества ==
Наблюдаваните стойности на вискозитета варират в рамките на няколко порядъка, дори за обикновените вещества (вижте таблицата с порядъка по-долу). Например, 70 %-ен захарен разтвор във вода има вискозитет по-голям 400 пъти от този на водата и 26000 пъти от на въздуха. <ref name="Rumble">Rumble, John R., ed. (2018). CRC Handbook of Chemistry and Physics (99th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1138561632.</ref> По-драматично е, че смолата има вискозитет 230 милиарда пъти по-висок от този на водата. <ref name="Edgeworth">Edgeworth, R.; Dalton, B.J.; Parnell, T. (1984). "The pitch drop experiment". European Journal of Physics. 5 (4): 198–200. Bibcode:1984EJPh....5..198E. doi:10.1088/0143-0807/5/4/003. Retrieved 2009-03-31.</ref>
=== Вискозитет на въздуха ===
Вискозитетът на въздуха зависи главно от температурата, освен при много високо налягане. При стандартни атмосферни условия (25 °C и налягане от 1 бар) динамичният вискозитет на въздуха е 18,5 μPa·s, приблизително 50 пъти по-малък от вискозитета на водата при същата температура. При 15 °C той е 1,78⋅10<sup>−5</sup> kg/(m·s) = 17,8 μPa⋅s = 1,78⋅10<sup>−5</sup> Pa⋅s. Вискозитетът на въздуха може да се намери като функция от температурата с помощта на програми за изчисляване на вискозитета на газовете. <ref>[http://www.lmnoeng.com/Flow/GasViscosity.htm Gas Viscosity Calculator].</ref> Една от многото възможни приблизителни формули за температурната зависимост на динамичния вискозитет (вж. [[Температурна зависимост на вискозитета]]) на въздуха е: <ref>[https://www.tec-science.com/mechanics/gases-and-liquids/viscosity-of-liquids-and-gases/ Viscosity of liquids and gases], TEC Science, 25.03.2020.</ref>
:<math>\mu_{\text{0}} = 2,791\cdot 10^{-7} \cdot T^{0,7355}</math>,
което е точно в диапазона от -20 °C до 400 °C. За да е валидна тази формула, температурата трябва да бъде в келвини, при което вискозитета на въздуха μ<sub>0</sub> се получава в Pa·s.
За самолетостроенето и корабостроенето е най-важно да се знаят вискозитетите на въздуха и водата.
=== Вискозитет на водата ===
Динамичният вискозитет на водата се изразява като функция от температурата ''Т'' с полуемпиричното уравнение на Вогел-Фулчер-[[Густав Таман|Таман]]:
:<math>\mu = M.\exp\left( \frac{B}{T - C} \right)</math>
където ''М'' и ''B'' са емпирични зависими от материала параметри, а ''С'' също е емпиричен параметър и обикновено се намира на около 50 °C под температурата на замръзване. Тези три параметъра обикновено се използват като регулируеми стойности за приспособяване на уравнението към експериментални данни на конкретни системи. За водата ''A'' = 0,02939 mPa·s, ''B'' = 507,88 °K и ''C'' = 149,3 °K. <ref>Viswanath, D.S.; Natarajan, G. (1989). Data Book on the Viscosity of Liquids. Hemisphere Publishing Corporation. ISBN 0-89116-778-1.</ref>
Кинематичният вискозитет на водата също се изразява като функция от температурата ''Т'' и може да се изчисли по формулата
: <math>\nu = M.10^{\frac{B}{T - C}} ,</math>
където A = 2,414·10<sup>−5</sup> Pa·s, B = 247,8 °K, C = 140 °K.
При температура около 25 °C динамичният вискозитет на водата е 8,9·10<sup>−4</sup> Pa·s. Експериментално определени стойности на вискозитета на течната вода при различни температури до точката на кипене са дадени в таблицата:
{| class="wikitable sortable"
|-
! Температура [°C]
! Вискозитет [mPa·s]
|-
|10
|1,3059 – 1,308
|-
|20
|1,0016 – 1,002
|-
|25
|0,89
|-
|30
|0,79722 – 0,7978
|-
|40
|0,6531
|-
|50
|0,54652 – 0,5471
|-
|60
|0,4668
|-
|70
|0,40355 – 0,4044
|-
|80
|0,3550
|-
|90
|0.31417 – 0,3150
|-
|100
|0,2822
|}
=== Динамичен вискозитет на различни вещества ===
Данните за стойностите на вискозитета обикновено се определят при температура от 25 ° C и налягане от 1 атмосфера, освен ако не е отбелязано друго. Следващите таблици показват стойностите на динамичния вискозитет на някои [[нютонов флуид|нютонови флуиди]]:
{| class="wikitable sortable"
|+ Вискозитет на газове
|-
! [[Газ]]
! при 0 °C (273 °K), μPа·s
! при 27 °C (300 °K), μPа·s
|-
|[[Въздух]]
|17,4
|18,6
|-
|[[Водород]]
|8,4
|9,0
|-
|[[Хелий]]
|
|20,0
|-
|[[Аргон]]
|
|22,9
|-
|[[Ксенон]]
|21,2
|23,2
|-
|[[Въглероден двуокис]]
|
|15,0
|-
|[[Метан]]
|
|11,2
|-
|[[Етан]]
|
|9,5
|}
{| class="wikitable sortable"
|+ Вискозитет на течности при 25 °C
|-
! Течност
! Вискозитет [Pa·s]
! Вискозитет [mPa·s]
|-
|[[Ацетон]]
|3,06·10<sup>−4</sup>
|0,306
|-
|[[Метилов спирт]]
|5,44·10<sup>−4</sup>
|0,544
|-
|[[Бензин]]
|6·10<sup>−4</sup>
|0,6
|-
|[[Бензол]]
|6,04·10<sup>−4</sup>
|0,604
|-
|[[Етилов спирт]]
|1,074·10<sup>−3</sup>
|1,074
|-
|[[Вода]]
|8,94·10<sup>−4</sup>
|0,894
|-
|[[Етиленгликол]]
|1,61·10<sup>−2</sup>
|16,1
|-
|[[Живак]]
|1,526·10<sup>−3</sup>
|1,526
|-
|[[Нитробензол]]
|1,863·10<sup>−3</sup>
|1,863
|-
|[[Пропанол]]
|1,945·10<sup>−3</sup>
|1,945
|-
|[[Зехтин]]
|0,081
|81
|-
|[[Сярна киселина]]
|2,42·10<sup>−2</sup>
|24,2
|-
|[[Рициново масло]]
|0,985
|985
|-
|[[Царевичен сироп]]
|1,3806
|1380,6
|-
|[[Мазут]]
|2,022
|2022
|}
=== Други често срещани вещества ===
На определени вещества с променлив състав или с [[Не-нютонов флуид|не-нютоново поведение]] [a] не се приписват точни стойности, тъй като в тези случаи вискозитетът зависи от допълнителни фактори освен температурата и налягането.
{| class="wikitable"
|- style="background:#efefef;"
!Вещество
!Viscosity [mPa·s]
!Teмпeрaтура [°C]
!Изт.
|-
|Течен [[азот]]
|0,158
|–196
|-
|Вода
| 1,0016
| 20
|rowspan="2"|{{sfn|Rumble|2018|p=}}
|-
|[[Meркурий (химичен eлeмeнт)|Meркурий]]
| 1,526
| 25
|-
|Пълномаслено [[мляко]]
|2,12
|20
|{{sfn|Fellows|2009|p=}}
|-
|Тъмна [[бира]]
|2,53
|20
|{{sfn|Severa|Los|2008}}
|-
|[[Кръв]]
|3—4
|37
|-
|[[Зехтин]]
|56,2
|26
|{{sfn|Fellows|2009|p=}}
|-
|[[Моторно масло]] SAE 10
|65 – 140
|20 – 25
|
|-
|[[Моторно масло]] SAE 20
|140 – 420
|25
|
|-
|[[Моторно масло]] SAE 30
|420 – 650
|25
|
|-
|[[Моторно масло]] SAE 40
|650 – 900
|20 – 25
|
|-
|[[Глицерин]]
|1490
|20
|-
|[[Мед]]
|<math>\approx</math> 2000–10000
|20
|{{sfn|Yanniotis|Skaltsi|Karaburnioti|2006|pp=372–377}}
|-
|[[Кетчуп]] {{efn|name=nnf|Тези вещества са силно [[Не-нютонов флуид|не-нютонови]].}}
|<math>\approx</math> 5000–20000
|25
|{{sfn|Koocheki|Ghandi|Razavi|Mortazavi|2009|pp=596–602}}
|-
|[[Фъстъчено масло]] {{efn|name=nnf}}
|<math>\approx</math> 10<sup>4</sup>–10<sup>6</sup>
|
|{{sfn|Citerne|Carreau|Moan|2001|pp=86–96}}
|-
|[[Смола]]
|{{val|2.3e11}}
|10–30
|{{sfn|Edgeworth|Dalton|Parnell|1984|pp=198–200}}
|-
|[[Планетарна мантия]]
|<math>\approx</math> 10<sup>19</sup>–10<sup>24</sup>
|
|<ref>Katharina., Lodders (1998). The planetary scientist's companion. Fegley, Bruce. New York: Oxford University Press. ISBN 978-1423759836. OCLC 65171709.</ref>
|}.
== Източници ==
<references />
[[Категория:Механика на флуидите]]
| |||