через какую величину связаны коэффициенты кинематической и динамической вязкости
Вязкость жидкости
Вязкость жидкости – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена при покое жидкости, так как она проявляется только при её движении. Для правильной оценки таких гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо прежде всего установить законы внутреннего трения жидкости и составить ясное представление о механизме самого движения.
Содержание статьи
Физический смысл вязкости
Для понятия физической сущности такого понятия как вязкость жидкости рассмотрим пример. Пусть есть две параллельные пластинки А и В. В пространство между ними заключена жидкость: нижняя пластинка неподвижна, а верхняя пластинка движется с некоторой постоянной скоростью υ1
Как при этом показывает опыт, слои жидкости, непосредственно прилегающие к пластинкам (так называемые прилипшие слои), будут иметь одинаковые с ним скорости, т.е. слой, прилегающий к нижней пластинке А, будет находиться в покое, а слой, примыкающий к верхней пластинке В, будет двигаться со скоростью υ1.
Промежуточные слои жидкости будут скользить друг по другу, причем их скорости будут пропорциональны расстояниям от нижней пластинки.
Ещё Ньютоном было высказано предположение, которое вскоре подтвердилось опытом, что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. Если взять площадь соприкосновения равной единице, это положение можно записать в виде
где τ – сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения
μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью жидкости.
Величину dυ/dy – изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости, называют скоростью скольжения.
Таким образом вязкость жидкости – это физическое свойство жидкости, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу
Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная
Теперь определимся с различными понятиям вязкости:
Динамическая вязкость. Единицей измерения этой вязкости является паскаль в секунду (Па*с). Физический смысл состоит в снижении давления в единицу времени. Динамическая вязкость характеризует сопротивление жидкости (или газа) смещению одного слоя относительно другого.
Динамическая вязкость зависит от температуры. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.
Кинематическая вязкость. Единицей измерения является Стокс. Кинематическая вязкость получается как отношение динамической вязкости к плотности конкретного вещества.
Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания определенного объема жидкости через калиброванное отверстие при воздействии силы тяжести
Абсолютная вязкость получается при умножении кинематической вязкости на плотность. В международной системе единиц абсолютная вязкость измеряется в Н*с/м2 – эту единицу называют Пуазейлем.
Коэффициент вязкости жидкости
В гидравлике часто используют величину, получаемую в результате деления абсолютной вязкости на плотность. Эту величину называют коэффициентом кинематической вязкости жидкости или просто кинематической вязкостью и обозначают буквой ν. Таким образом кинематическая вязкость жидкости
где ρ – плотность жидкости.
Единицей измерения кинематической вязкости жидкости в международной и технической системах единиц служит величина м2/с.
В физической системе единиц кинематическая вязкость имеет единицу измерения см 2 /с и называется Стоксом(Ст).
Вязкость некоторых жидкостей
| Жидкость | t, °С | ν, Ст |
| Вода | 0 | 0,0178 |
| Вода | 20 | 0,0101 |
| Вода | 100 | 0,0028 |
| Бензин | 18 | 0,0065 |
| Спирт винный | 18 | 0,0133 |
| Керосин | 18 | 0,0250 |
| Глицерин | 20 | 8,7 |
| Ртуть | 0 | 0,00125 |
Величину, обратную коэффициенту абсолютной вязкости жидкости, называют текучестью
Как показывают многочисленные эксперименты и наблюдения, вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Для различных жидкостей зависимость вязкости от температуры получается различной.
Поэтому, при практических расчетах к выбору значения коэффициента вязкости следует подходить очень осторожно. В каждом отдельном случае целесообразно брать за основу специальные лабораторные исследования.
Вязкость жидкостей, как установлено из опытов, зависит так же и от давления. Вязкость возрастает при увеличении давления. Исключение в этом случае является вода, для которой при температуре до 32 градусов Цельсия с увеличением давления вязкость уменьшается.
Что касается газов, то зависимость вязкости от давления, так же как и от температуры, очень существенна. С увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры, наоборот, увеличивается.
Методы измерения вязкости. Метод Стокса.
Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а прибор для измерения вязкости называется вискозиметр.
Современные вискозиметры изготавливаются из прочных материалов, а при их производстве используются самые современные технологии, для обеспечение работы с высокой температурой и давлением без вреда для оборудования.
Существует следующие методы определения вязкости жидкости.
Капиллярный метод.
Сущность этого метода заключается в использовании сообщающихся сосудов. Два сосуда соединяются стеклянной трубкой известного диаметра и длины. Жидкость помещается в стеклянный канал и за определенный промежуток времени перетекает из одного сосуда в другой. Далее зная давление в первом сосуде и воспользовавшись для расчетов формулой Пуазейля определяется коэффициент вязкости.
Метод по Гессе.
Этот метод несколько сложнее предыдущего. Для его выполнения необходимо иметь две идентичные капиллярные установки. В первую помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а во вторую – исследуемую жидкость. Затем замеряют время по первому методу на каждой из установок и составляя пропорцию между опытами находят интересующую вязкость.
Ротационный метод.
Для выполнения этого метода необходимо иметь конструкцию из двух цилиндров, причем один из них должен быть расположен внутри другого. В промежуток между сосудами помещают исследуемую жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру.
Жидкость вращается вместе с цилиндром со своей угловой скоростью. Разница в силе момента цилиндра и жидкости позволяет определить вязкость последней.
Метод Стокса
Для выполнения этого опыта потребуется вискозиметр Гепплера, который представляет из себя цилиндр, заполненный жидкостью.
Вначале делаются две пометки по высоте цилиндра и замеряют расстояние между ними. Затем шарик определенного радиуса помещается в жидкость. Шарик начинает погружаться в жидкость и проходит расстояние от одной метки до другой. Это время фиксируется. Определив скорость движения шарика затем вычисляют вязкость жидкости.
Видео по теме вязкости
Определение вязкости играет большую роль в промышленности, поскольку определяет конструкцию оборудования для различных сред. Например, оборудование для добычи, переработки и транспортировки нефти.
Коэффициент вязкости – это величина, используемая для обозначения силы внутреннего трения текучих веществ. Вязкость – разновидность явлений переноса. Жидкости и газы оказывают сопротивление перемещению двух слоев относительно друг друга. Эта особенность характерна для текучих веществ, связана с движением частиц, из которых и состоят вещества.
Вязкость называют внутренним трением. В его основе находится хаотическое движение молекул, передающих импульс между слоями. Такие импульсные обмены выравнивают скорости перемещения слоев.
Коэффициент динамической вязкости
Численное обозначение абсолютной вязкости является индексом сопротивляемости испытуемых веществ взаимному перемещению или скольжению их слоев.
Единицей измерения коэффициента в системе СИ приняты паскаль-секунды:
Физическая основа динамического показателя заключается в его соответствии касательному напряжению, которое происходит между слоями вещества, перемещающимися относительно друг друга, при условии расстояния между ними, равного единице длины, и на скорости, равной единице.
Вязкость жидкости определяется формулой, в которой динамический коэффициент определяет пропорциональность скорости движения слоев и расстояния между ними:
τ – касательное напряжение;
Закон вязкости жидкости был установлен Ньютоном в конце 17 века. Абсолютный показатель зависит от типа газа или жидкости, температуры веществ.
Коэффициент динамической вязкости газа
Коэффициент вязкости жидкостей
Для органических жидкостей показания напрямую зависят от температуры. Ниже приведена таблица со значениями абсолютного индекса для веществ при температурах от 0 до 100 градусов Цельсия.
Единица измерения – миллипаскаль-секунды, что соответствует сантипуазам.
Коэффициент динамической вязкости жидкостей уменьшается при условии нагревания вещества. Другими словами, чем выше температура жидкости, тем менее вязкой она становится.
Связь коэффициента вязкости с числами Рейнольдса и силой трения
Английский механик, физик и инженер Оскар Рейнольдс установил (1876 — 1883 гг.), что характер течения зависит от величины, не имеющей размерностью, и называемой числом Re.
Число Рейнольдса используют для отображения соотношения кинематической энергии вещества к энергопотерям на установленной длине в условиях внутреннего трения.
Примеры решения задач
Попробуем решить следующую задачу.
Следует узнать эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства:
Определение скорости воды на основе уравнения расхода:
По формуле Рейнольдса найти число Re:
Подставляя значения, получаем:
Ответ: режим перемещения воды в межтрубном пространстве является турбулентным.
Коэффициент кинематической вязкости
Кинематическая вязкость – это индекс, который отображает отношение абсолютного показателя вещества к его плотности при установленной температуре.
Физическая формула соотношения выглядит и единицы измерения можно увидеть на картинке:
Действие 4. Вычисление кинематического показателя, исходя из формулы:
Подставив в уравнение полученные и имеющиеся расчетные данные, получим кинематический индекс вещества.
Заключение
Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что он демонстрирует, чему равна величина F внутреннего трения, действующая на 1 ед. площади поверхности соприкасающихся слоев при единичном градиенте скорости.
Размерность данной величины и перевод из одних единиц измерения в другие показаны на картинке:
Сведения о вязкости
Вязкость – свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации.
Различают динамическую (или абсолютную) вязкость и кинематическую вязкость.
Динамическая (абсолютная) вязкость µ – сила, действующая на единичную площадь плоской поверхности, которая перемещается с единичной скоростью относительно другой плоской поверхности, находящейся от первой на единичном расстоянии.
В системе СИ динамическая вязкость выражается в Па⋅с (паскаль-секунда), внесистемная единица П (пуаз).
Соотношение величин динамической вязкости в различных единицах измерения
| Единицы измерения | Па⋅с | сП | П | кгс⋅с/м 2 | Н⋅с/м 2 | дин⋅с/cм 2 | г/(см⋅с) |
| 1 Па⋅с паскаль-секунда | 1 | 1000 | 10 | 0,102 | 1 | 10 | 10 |
| 1 сП сантипуаз | 0,001 | 1 | 0,01 | 0,0001 | 0,001 | 0,01 | 0,01 |
| 1 П пуаз | 0,1 | 100 | 1 | 0,01 | 0,1 | 1 | 1 |
| 1 кгс⋅с/м 2 килограмм-сила-секунда на квадратный метр | 9,81 | 9806,7 | 98,07 | 1 | 9,81 | 98,07 | 98,07 |
| 1 Н⋅с/м 2 ньютон-секунда на квадратный метр | 1 | 1000 | 10 | 0,102 | 1 | 10 | 10 |
| 1 дин⋅с/см 2 дина-секунда на квадратный сантиметр | 0,1 | 100 | 1 | 0,01 | 0,1 | 1 | 1 |
| 1 г/(см⋅с) грамм на сантиметр на секунду | 0,1 | 100 | 1 | 0,01 | 0,1 | 1 | 1 |
Кинематическая вязкость ν – отношение динамической вязкости µ к плотности жидкости ρ.
где:
ν, м 2 /с – кинематическая вязкость;
μ, Па⋅с – динамическая вязкость;
ρ, кг/м 3 – плотность жидкости.
В системе СИ кинематическая вязкость выражается в м 2 /с (квадратный метр в секунду), внесистемная единица Ст (стокс).
Соотношение величин кинематической вязкости в различных единицах измерения
Вязкость
Из Википедии — свободной энциклопедии
Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате макроскопическая работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла. Твёрдые тела (стекло, металлы, полупроводники, диэлектрики, ферромагнетики) [1] также могут обладать вязкостью, но внутреннее трение в твёрдых телах в силу специфики явления обычно рассматривается отдельно в теории упругости и пластичности.
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) — паскаль-секунда, Па·с, в системе СГС — пуаз, П; 1 Па·с = 10 П, 1 сП = 10 −3 Па·с = 1 мПа·с) и кинематическую вязкость (единица измерения в СИ — м 2 /c, в СГС — стокс, Ст; 1 Ст = см 2 /с = 10 −4 м 2 /с, 1 сСт = 1 мм 2 /с = 10 −6 м 2 /с; 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. Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.
Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 10 11 —10 12 Па·с.
Коэффициент вязкости — формулы, виды и размерность величины
Коэффициент вязкости – это величина, используемая для обозначения силы внутреннего трения текучих веществ. Вязкость – разновидность явлений переноса. Жидкости и газы оказывают сопротивление перемещению двух слоев относительно друг друга. Эта особенность характерна для текучих веществ, связана с движением частиц, из которых и состоят вещества.
Вязкость называют внутренним трением. В его основе находится хаотическое движение молекул, передающих импульс между слоями. Такие импульсные обмены выравнивают скорости перемещения слоев.
Коэффициент динамической вязкости
Численное обозначение абсолютной вязкости является индексом сопротивляемости испытуемых веществ взаимному перемещению или скольжению их слоев.
Единицей измерения коэффициента в системе СИ приняты паскаль-секунды:
Физическая основа динамического показателя заключается в его соответствии касательному напряжению, которое происходит между слоями вещества, перемещающимися относительно друг друга, при условии расстояния между ними, равного единице длины, и на скорости, равной единице.
Вязкость жидкости определяется формулой, в которой динамический коэффициент определяет пропорциональность скорости движения слоев и расстояния между ними:
τ – касательное напряжение;
µ — показатель пропорциональности, который является динамическим индексом вещества.
Закон вязкости жидкости был установлен Ньютоном в конце 17 века. Абсолютный показатель зависит от типа газа или жидкости, температуры веществ.
Коэффициент динамической вязкости газа
Для основных газов величины коэффициента при температуре 0 — 600 градусов Цельсия представлены в таблице:
Коэффициент вязкости жидкостей
Для органических жидкостей показания напрямую зависят от температуры. Ниже приведена таблица со значениями абсолютного индекса для веществ при температурах от 0 до 100 градусов Цельсия.
Единица измерения – миллипаскаль-секунды, что соответствует сантипуазам.
Коэффициент динамической вязкости жидкостей уменьшается при условии нагревания вещества. Другими словами, чем выше температура жидкости, тем менее вязкой она становится.
Связь коэффициента вязкости с числами Рейнольдса и силой трения
Английский механик, физик и инженер Оскар Рейнольдс установил (1876 — 1883 гг.), что характер течения зависит от величины, не имеющей размерностью, и называемой числом Re.
Число Рейнольдса используют для отображения соотношения кинематической энергии вещества к энергопотерям на установленной длине в условиях внутреннего трения.
Примеры решения задач
Попробуем решить следующую задачу.
Следует узнать эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства:
Определение скорости воды на основе уравнения расхода:
По формуле Рейнольдса найти число Re:
Подставляя значения, получаем:
Ответ: режим перемещения воды в межтрубном пространстве является турбулентным.
Коэффициент кинематической вязкости
Кинематическая вязкость – это индекс, который отображает отношение абсолютного показателя вещества к его плотности при установленной температуре.
Физическая формула соотношения выглядит и единицы измерения можно увидеть на картинке:
Действие 4. Вычисление кинематического показателя, исходя из формулы:
Подставив в уравнение полученные и имеющиеся расчетные данные, получим кинематический индекс вещества.
Заключение
Физический смысл коэффициента вязкости заключается в том, что он демонстрирует, чему равна величина F внутреннего трения, действующая на 1 ед. площади поверхности соприкасающихся слоев при единичном градиенте скорости.
Размерность данной величины и перевод из одних единиц измерения в другие показаны на картинке:
