Коэффициент динамической вязкости воды па с. Химия нефти. Динамическая и кинематическая вязкость воды при её различной температуре

Вязкость жидкостей

Динамическая вязкость , или коэффициент динамической вязкости ƞ (ньютоновской), определяется формулой:

η = r / (dv/dr),

где r – сила вязкого сопротивления (на единицу площади) между двумя соседними слоями жидкости, направленная вдоль их поверхности, а dv/dr– градиент их относительной скорости, взятый по направлению, перпендикулярному к направлению движения. Размеренность динамической вязкости ML -1 T -1 , ее единицей в системе СГС служит пуаз (пз) = 1г/см*сек=1дин*сек/см 2 =100 сантипуазам (спз)

Кинематическая вязкость определяется отношением динамической вязкости ƞ к плотности жидкости p. Размерность кинематической вязкости L 2 T -1 , ее единицей в системе СГС служит стокс (ст) = 1 см 2 /сек=100 сантистоксам (сст).

Текучесть φ является величиной, обратной динамической вязкости. Последняя для жидкостей уменьшается с понижением температуры приблизительно по закону φ=А+В/Т, где А и В являются характеристическими постоянными, а Т обозначает абсолютную температуру. Величины А и В для большого количества жидкостей были даны Бэррером.

Таблица вязкость воды

Данные Бингхема и Джексона, выверенные по национальному стандарту в США и Великобритании на 1 июля 1953 года, ƞ при 20 0 С=1,0019 сантипуаза.

Таблица вязкость различных жидкостей Ƞ, спз

Относительная вязкость некоторых водных растворов (таблица)

Концентрация растворов предполагается нормальным, который содержит в 1л один грамм-эквивалент растворенного вещества. Вязкости даны по отношению к вязкости воды при той же температуре.

Таблица вязкость водных растворов глицерина

Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив, нефтяных масел, ряда других нефтепродуктов. По значению вязкости судят о возможности распыления и прокачиваемости нефти и нефтепродуктов.

Различают динамическую, кинематическую, условную и эффективную (структурную) вязкость.

Динамической (абсолютной) вязкостью [μ ], или внутренним трением, называют свойства реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Очевидно, это свойство проявляется при движении жидкости. Динамическая вязкость в системе СИ измеряется в [Н·с/м 2 ]. Это сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев поверхностью 1 м 2 , находящихся на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся под действием внешней силы в 1 Н со скоростью 1 м/с. Учитывая, что 1 Н/м 2 = 1 Па, динамическую вязкость часто выражают в [Па·с] или [мПа·с]. В системе СГС (CGS) размерность динамической вязкости - [дин·с/м 2 ]. Эта единица называется пуазом (1 П = 0,1 Па·с).

Переводные множители для расчета динамической [μ ] вязкости.

Кинематической вязкостью [ν ] называется величина, равная отношению динамической вязкости жидкости [μ ] к ее плотности [ρ ] при той же температуре: ν = μ/ρ. Единицей кинематической вязкости является [м 2 /с] - кинематическая вязкость такой жидкости, динамическая вязкость которой равна 1 Н·с/м 2 и плотность 1 кг/м 3 (Н = кг·м/с 2). В системе СГС (CGS) кинематическая вязкость выражается в [см 2 /с]. Эта единица называется стоксом (1 Ст = 10 -4 м 2 /с; 1 сСт = 1 мм 2 /с).

Переводные множители для расчета кинематической [ν ] вязкости.

Нефти и нефтепродукты часто характеризуются условной вязкостью , за которую принимается отношение времени истечения через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра 200 мл нефтепродукта при определенной температуре [t ] ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20°С. Условная вязкость при температуре [t ] обозначается знаком ВУ, и выражается числом условных градусов.

Условная вязкость измеряется в градусах ВУ (°ВУ) (если испытание проводится в стандартном вискозиметре по ГОСТ 6258-85), секундах Сейболта и секундах Редвуда (если испытание проводится на вискозиметрах Сейболта и Редвуда).

Перевести вязкость из одной системы в другую можно при помощи номограммы .

В нефтяных дисперсных системах в определенных условиях в отличие от ньютоновских жидкостей вязкость является переменной величиной, зависящей от градиента скорости сдвига. В этих случаях нефти и нефтепродукты характеризуются эффективной или структурной вязкостью:

Для углеводородов вязкость существенно зависит от их химического состава: она повышается с увеличением молекулярной массы и температуры кипения. Наличие боковых разветвлений в молекулах алканов и нафтенов и увеличение числа циклов также повышают вязкость. Для различных групп углеводородов вязкость растет в ряду алканы - арены - цикланы.

Для определения вязкости используют специальные стандартные приборы - вискозиметры, различающиеся по принципу действия.

Кинематическая вязкость определяется для относительно маловязких светлых нефтепродуктов и масел с помощью капиллярных вискозиметров, действие которых основано на текучести жидкости через капилляр по ГОСТ 33-2000 и ГОСТ 1929-87 (вискозиметр типа ВПЖ, Пинкевича и др.).

Для вязких нефтепродуктов измеряется условная вязкость в вискозиметрах типа ВУ, Энглера и др. Истечение жидкости в этих вискозиметрах происходит через калиброванное отверстие по ГОСТ 6258-85.

Между величинами условной °ВУ и кинематической вязкости существует эмпирическая зависимость:

Вязкость наиболее вязких, структурированных нефтепродуктов определяется на ротационном вискозиметре по ГОСТ 1929-87. Метод основан на измерении усилия, необходимого для вращения внутреннего цилиндра относительно наружного при заполнении пространства между ними испытуемой жидкостью при температуре t .

Кроме стандартных методов определения вязкости иногда в исследовательских работах используются нестандартные методы, основанные на измерении вязкости по времени падения калибровочного шарика между метками или по времени затухания колебаний твердого тела в испытуемой жидкости (вискозиметры Гепплера, Гурвича и др.).

Во всех описанных стандартных методах вязкость определяют при строго постоянной температуре, поскольку с ее изменением вязкость существенно меняется.

Зависимость вязкости от температуры

Зависимость вязкости нефтепродуктов от температуры является очень важной характеристикой как в технологии переработки нефти (перекачка, теплообмен, отстой и т. д.), так и при применении товарных нефтепродуктов (слив, перекачка, фильтрование, смазка трущихся поверхностей и т. д.).

С понижением температуры вязкость их возрастает. На рисунке приведены кривые изменения вязкости в зависимости от температуры для различных смазочных масел.

Общим для всех образцов масел является наличие областей температур, в которых наступает резкое повышение вязкости.

Существует много различных формул для расчета вязкости в зависимости от температуры, но наиболее употребляемой является эмпирическая формула Вальтера:

Дважды логарифмируя это выражение, получаем:

По данному уравнению Е. Г. Семенидо была составлена номограмма на оси абсцисс которой для удобства пользования отложена температура, а на оси ординат - вязкость.

По номограмме можно найти вязкость нефтепродукта при любой заданной температуре, если известна его вязкость при двух других температурах. В этом случае значение известных вязкостей соединяют прямой и продолжают ее до пересечения с линией температуры. Точка пересечения с ней отвечает искомой вязкости. Номограмма пригодна для определения вязкости всех видов жидких нефтепродуктов.

Для нефтяных смазочных масел очень важно при эксплуатации, чтобы вязкость как можно меньше зависела от температуры, поскольку это обеспечивает хорошие смазывающие свойства масла в широком интервале температур, т. е. в соответствии с формулой Вальтера это означает, что для смазочных масел, чем ниже коэффициент В, тем выше качество масла. Это свойство масел называется индексом вязкости , который является функцией химического состава масла. Для различных углеводородов по-разному меняется вязкость от температуры. Наиболее крутая зависимость (большая величина В) для ароматических углеводородов, а наименьшая - для алканов. Нафтеновые углеводороды в этом отношении близки к алканам.

Существуют различные методы определения индекса вязкости (ИВ).

В России ИВ определяют по двум значениям кинематической вязкости при 50 и 100°С (или при 40 и 100°С - по специальной таблице Госкомитета стандартов).

При паспортизации масел ИВ рассчитывают по ГОСТ 25371-97, который предусматривает определение этой величины по вязкости при 40 и 100°С. По этому методу согласно ГОСТ (для масел с ИВ меньше 100) индекс вязкости определяется формулой:

Для всех масел с ν 100 ν, ν 1 и ν 3 ) определяют по таблице ГОСТ 25371-97 на основе ν 40 и ν 100 данного масла. Если масло более вязкое (ν 100 > 70 мм 2 /с), то величины, входящие в формулу, определяют по специальным формулам, приведенным в стандарте.

Значительно проще определять индекс вязкости по номограммам .

Еще более удобная номограмма для нахождения индекса вязкости разработана Г. В. Виноградовым. Определение ИВ сводится к соединению прямыми линиями известных величин вязкости при двух температурах. Точка пересечения этих линий соответствует искомому индексу вязкости.

Индекс вязкости - общепринятая величина, входящая в стандарты на масла во всех странах мира. Недостатком показателя индекса вязкости является то, что он характеризует поведение масла лишь в интервале температур от 37,8 до 98,8°С.

Многими исследователями было подмечено, что плотность и вязкость смазочных масел до некоторой степени отражают их углеводородный состав. Был предложен соответствующий показатель, связывающий плотность и вязкость масел и названный вязкостно-массовой константой (ВМК). Вязкостно-массовая константа может быть вычислена по формуле Ю. А. Пинкевича:

В зависимости от химического состава масла ВМК его может быть от 0,75 до 0,90, причем, чем выше ВМК масла, тем ниже его индекс вязкости.

В области низких температур смазочные масла приобретают структуру, которая характеризуется пределом текучести, пластичности, тиксотропностью или аномалией вязкости, свойственными дисперсным системам. Результаты определения вязкости таких масел зависят от их предварительного механического перемешивания, а также от скорости истечения или от обоих факторов одновременно. Структурированные масла, так же как и другие структурированные нефтяные системы, не подчиняются закону течения ньютоновских жидкостей, согласно которому изменение вязкости должно зависеть только от температуры.

Масло с неразрушенной структурой имеет значительно большую вязкость, чем после ее разрушения. Если понизить вязкость такого масла путем разрушения структуры, то в спокойном состоянии эта структура восстановится и вязкость примет первоначальное значение. Способность системы самопроизвольно восстанавливать свою структуру называется тиксотропией . С увеличением скорости течения, точнее градиента скорости (участок кривой 1), структура разрушается, в связи с чем вязкость вещества снижается и доходит до определенного минимума. Этот минимум вязкости сохраняется на одном уровне и при последующем возрастании градиента скорости (участок 2) до появления турбулентного потока, после чего вязкость вновь нарастает (участок 3).

Зависимость вязкости от давления

Вязкость жидкостей, в том числе и нефтепродуктов, зависит от внешнего давления. Изменение вязкости масел с повышением давления имеет большое практическое значение, так как в некоторых узлах трения могут возникать высокие давления.

Зависимость вязкости от давления для некоторых масел иллюстрируется кривыми, вязкость масел с повышением давления изменяется по параболе. При давлении Р она может быть выражена формулой:

В нефтяных маслах меньше всего с повышением давления изменяется вязкость парафиновых углеводородов и несколько больше нафтеновых и ароматических. Вязкость высоковязких нефтепродуктов с увеличением давления повышается больше, чем вязкость маловязких. Чем выше температура, тем меньше изменяется вязкость с повышением давления.

При давлениях порядка 500 - 1000 МПа вязкость масел возрастает настолько, что они теряют свойства жидкости и превращаются в пластичную массу.

Для определения вязкости нефтепродуктов при высоком давлении Д.Э.Мапстон предложил формулу:

На основе этого уравнения Д.Э.Мапстоном разработана номограмма , при пользовании которой известные величины, например ν 0 и Р , соединяют прямой линией и отсчет получают на третьей шкале.

Вязкость смесей

При компаундировании масел часто приходится определять вязкость смесей. Как показали опыты, аддитивность свойств проявляется лишь в смесях двух весьма близких по вязкости компонентов. При большой разности вязкостей смешиваемых нефтепродуктов, как правило, вязкость меньше, чем вычисленная по правилу смешения. Приближенно вязкость смеси масел можно рассчитать, если заменить вязкости компонентов их обратной величиной - подвижностью (текучестью) ψ см :

Для определения вязкости смесей можно также пользоваться различными номограммами. Наибольшее применение нашли номограмма ASTM и вискозиграмма Молина-Гурвича . Номограмма ASTM базируется на формуле Вальтера. Номограмма Молина-Гуревича составлена на основании экспериментально найденных вязкостей смеси масел А и В, из которых А обладает вязкостью °ВУ 20 = 1,5, а В - вязкостью °ВУ 20 = 60. Оба масла смешивались в разных соотношениях от 0 до 100% (об.), и вязкость смесей устанавливалась экспериментально. На номограмме нанесены значения вязкости в уел. ед. и в мм 2 /с.

Вязкость газов и нефтяных паров

Вязкость углеводородных газов и нефтяных паров подчиняется иным, чем для жидкостей, закономерностям. С повышением температуры вязкость газов возрастает. Эта закономерность удовлетворительно описывается формулой Сазерленда:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Вязкостью называют один из видов явлений переноса. Она связана со свойством текучих веществ (газов и жидкостей), сопротивляться перемещению одного слоя относительно другого. Это явление вызывается движением частиц, которые составляют вещество.

Выделяют динамическую вязкость и кинематическую.

Рассмотрим движение газа, обладающего вязкостью как перемещение плоских параллельных слоев. Будем считать, что изменение скорости движения вещества происходит по направлению оси X, которая перпендикулярна к направлению скорости движения газа (рис.1).

В направлении оси Y скорость движения во всех точках одинакова. Значит, скорость является функцией . В таком случае, модуль силы трения между слоями газа (F), которая действует на единицу площади поверхности, которая разделяет два соседних слоя, описывается уравнением:

где — градиент скорости () по оси X. Ось X перепендикулярна направлению движения слоев вещества (рис.1).

Определение

Коэффициент (), входящий в уравнение (1) называется коэффициентом динамической вязкости (коэффициентом внутреннего трения). Он зависит от свойств газа (жидкости). численно равен количеству движения, которое переносится в единицу времени через площадку единичной площади при градиенте скорости равном единице, в направлении перпендикулярном площадке. Или численно равен силе, которая действует на единицу площади при градиенте скорости, равном единице.

Внутренне трение — причина того, что для течения газа (жидкости) сквозь трубу необходима разность давлений. При этом, чем больше коэффициент вязкости вещества, тем больше должна быть разность давлений для придания заданной скорости течению.

Коэффициент кинематической вязкости обычно, обозначают . Он равен:

где — плотность газа (жидкости).

Коэффициент внутреннего трения газа

В соответствии с кинетической теорией газов коэффициент вязкости можно вычислить при помощи формулы:

где — средняя скорость теплового движения молекул газа, — средняя длина свободного пробега молекулы. Выражение (3) показывает, что при низом давлении (разреженный газ) вязкость почти не зависит от давления, так как Но такой вывод справедлив до момента, пока отношение длины свободного пробега молекулы к линейным размерам сосуда не станет приблизительно равным единице. При увеличении температуры вязкость газов обычно растет, так как

Коэффициент вязкости жидкостей

Считая, что коэффициент вязкости определен силами взаимодействия молекул вещества, которые зависят от среднего расстояния между ними, то коэффициент вязкости определяют экспериментальной формулой Бачинского:

где — молярный объем жидкости, А и B — постоянные величины.

Вязкость жидкостей с ростом температуры уменьшается, при увеличении давления растет.

Формула Пуазейля

Коэффициент вязкости входит в формулу, которая устанавливает зависимость между объемом (V) газа, который протекает в единицу времени через сечение трубы и необходимой для этого разностью давлений ():

где — длина трубы, — радиус трубы.

Число Рейнольдса

Характер движения газа (жидкости) определяется безразмерным числом Рейнольдса ():

Единицы измерения коэффициента вязкости

Основной единицей измерения коэффициента динамической вязкости в системе СИ является:

1Па c=10 пуаз

Основной единицей измерения коэффициента кинематической вязкости в системе СИ является:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Прежде чем говорить о свойствах воды, стоит разобраться с самим понятием "вода". Она представляет собой прозрачную жидкость, которая в большинстве случаев не имеет ни характерного цвета, ни запаха. Когда вода переходит в другое она образует производные, которые называют льдом, снегом (твердые состояния) или паром (газообразное состояние). Считается, что она покрывает более 70% поверхности планеты Земля - это всевозможные моря и океаны, реки, озёра, ледники и другие гидрологические объекты.

Вода является сильным растворителем, который в природных условиях содержит множество минеральных солей и различных газов. Если говорить о ее физических свойствах, то сразу обратим внимание на то, что при таянии льда увеличивается его плотность, в то время как у других веществ аналогичный процесс происходит с точностью до наоборот.

Главной особенностью воды является вязкость. Сама по себе вязкость - это способность какого-либо вещества (будь то жидкость, газ или твёрдое тело) оказывать сопротивление частиц вещества относительно друг друга. Данная характеристика может быть двух видов - объёмная и тангенциальная. Объёмная вязкость - это способность вещества принимать растягивающее усилие. Она проявляется при распространении в воде звуковых или ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризуется способностью жидкости оказывать сопротивление сдвигающему усилию.

Когда ученые исследовали вязкость воды, было выяснено, что сопротивление вещества при растягивании и сдвигах зависит от скорости движения частиц разных слоёв жидкости. Если слой, который передвигается быстрее, действует на слой, движущийся медленнее, то в действие приводится ускоряющая сила. Если же всё происходит с точностью до наоборот, то начинает действовать тормозящая сила. Вышеупомянутые силы направлены по касательной к поверхностям слоёв.

Вязкостью называется способность жидкостей оказывать сопротивление усилиям, касательным к поверхности выделенного объёма, т. е. усилиям сдвига.

Пусть жидкость течёт вдоль плоской стенки (рисунок 1) слоями. Вследствие торможения со стороны стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере удаления от стенки.

Рассмотрим два слоя, движущиеся на расстоянии
друг от друга. Ввиду разности скоростей, слой B сдвигается относительно слоя A на величину
за единицу времени. Величина
абсолютный сдвиг слоя B по слою A, а– градиент скорости (относительный сдвиг или скорость деформации). Касательное напряжение, поя

Рисунок - 1

(10)

или если слои находятся бесконечно близко друг к другу, то получают закон вязкостного трения Ньютона

(11)

Величина , характеризующая сопротивляемость жидкости касательному сдвигу, называется динамическим коэффициентом вязкости. В зависимости от выбора направления отсчета расстояний по нормали (от стенки рассматриваемой трубы Илии ее оси) градиент скорости может быть положительным или отрицательным. Знакв формуле (11) принимается таким, чтобы касательное напряжение было положительным.

Сила внутреннего трения в жидкости

(12)

т. е. она прямо пропорциональна динамическому коэффициенту вязкости, площади трущихся слоёв
и градиенту скорости.

В системе СИ динамический коэффициент вязкости имеет размерность . В системе СГС за единицу динамического коэффициента вязкости принимаютпуаз (Пз). Размерностьпуаза –
Следовательно,
или

При расчётах наиболее часто применяюткинематический коэффициент вязкости,

. (13)

Название «кинематический» этот коэффициент получил в связи с тем, что в его размерность входят единицы измерения только кинематических параметров и не входят единицы силы

В системе СИ кинематический коэффициент вязкости измеряется в (м 2 /с), в системе СГС – см 2 /с илистокс (Ст). Величину, в 100 раз меньшуюстокса , называютсантистоксом.

В практике, наряду с упомянутыми единицами измерения вязкости жидкости, используют условный градус Энглера (0 Е), определяемый одним из приборов для измерения вязкости – вискозиметром Энглера.

Под условным градусом Энглера понимают отношение времени истечения
м 3 (200 см 3) испытуемой жидкости, при данной температуре из латунного цилиндрического сосуда с коническим дном через калиброванное отверстие диаметром 2,8 мм, к времени истечения из этого же сосуда
м 3 дистиллированной воды при температуре 20 0 С.

По известному значению вязкости в условных градусах Энглера , кинематический коэффициент вязкости,, определяют по формуле

. (14)

Вязкость жидкостей в значительной степени зависит от температуры. При этом вязкость капельных жидкостей с увеличением температуры уменьшается (таблица 2), а вязкость газов возрастает. Это объясняется тем, что природа вязкости капельных жидкостей и газов различна. В газах средняя скорость теплового движения и длина свободного пробега молекул возрастает с повышением температуры, что приводит к увеличению вязкости. В капельных жидкостях молекулы могут лишь колебаться относительно среднего положения. Cростом температуры скорости колебательных движений молекул увеличиваются. Это облегчает возможность преодоления удерживающих их связей, и жидкость становится более подвижной и менее вязкой.

Таблица 2 - Коэффициент кинематической вязкости воды при различных температурах

Кинематический коэффициент вязкости капельных жидкостей при давлениях
слабо зависит от давления. В таблице 3 приведены значения коэффициента кинематической вязкости для некоторых жидкостей.

Таблица 3 – Коэффициент кинематической вязкости для некоторых жидкостей

Кинематический коэффициент вязкости газов при увеличении давления уменьшается.