Что это — вязкость? Единицы измерения вязкости
Вязкость характеризует способность газов или жидкостей создавать сопротивление между движущимися по отношению друг к другу слоями текучих (не твердых) тел. То есть эта величина соответствует силе внутреннего трения (английский термин: viscosity), возникающей при движении газа или жидкости. Для разных тел она будет различной, так как зависит от их природы. Например, вода имеет низкую вязкость по сравнению с медом, вязкость которого намного выше. Внутреннее трение или текучесть твердых (сыпучих) веществ характеризуется реологическими характеристиками.
Слово вязкость происходит от латинского слова Viscum, что в переводе означает омела. Это связано с птичьим клеем, который делали из ягод омелы и использовали для ловли птиц. Клеящим веществом намазывали ветки деревьев, а птицы, садясь на них, становились легкой добычей для человека.
Что же такое вязкость? Единицы измерения данной характеристики будут приведены, как это принято, в системе СИ, а также в других внесистемных единицах.
Исак Ньютон в 1687 году установил основной закон течения жидких и газообразных тел: F = ƞ • {(v2 – v1) / (z2 – z1)} • S. В данном случае F — это сила (тангенциальная), которая вызывает сдвиг слоев подвижного тела. Отношение (v2 – v1) / (z2 – z1) показывает быстроту изменения скорости течения жидкости или газа при переходе от одного подвижного слоя к другому. Иначе называется градиентом скорости течения или скоростью сдвига. Величина S — это площадь (в поперечном сечении ) потока подвижного тела. Коэффициент пропорциональности ƞ и есть коэффициент вязкости динамической данного тела. Величина, ей обратная j = 1 / ƞ, является текучестью. Силу, действующую на единицу площади (в поперечном сечении) потока, можно рассчитать по формуле: µ = F / S. Это и есть абсолютная или динамическая вязкость. Единицы измерения ее в системе СИ выражаются как паскаль на секунду.
Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих веществ. Значение ее учитывают при проектировании и эксплуатации трубопроводов и аппаратов, в которых происходит движение (например, если они служат для перекачивания) жидкой или газообразной среды.
Это могут быть нефть, газ или продукты их переработки, расплавленные шлаки либо стекло и прочее. Вязкость во многих случаях является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физико-химическое состояния материала и изменения, происходящие в технологии. Часто для оценки величины сопротивления деформации или истечения используют не динамическую, а кинематическую вязкость, единицы измерения которой в системе СИ выражаются в квадратных метрах за секунду. Кинематическая вязкость (обозначается ν) есть отношение вязкости динамической (µ) к плотности среды (ρ): v = µ / ρ.
Кинематическая вязкость — это физико-химическая характеристика материала, показывающая его способность под действием сил гравитации сопротивляться течению.
В системе СИ единицы измерения кинематической вязкости записывают как м2/с.
В системе СГС вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).
Между этими единицами измерения существует следующая связь: 1 Ст = 10-4 м2/с, тогда 1 сСт = 10-2 Ст = 10-6 м2/с = 1 мм2/с. Часто для кинематической вязкости пользуются другой внесистемной единицей измерения — это градусы Энглера, перевод которых в Стоксы можно осуществлять по эмпирической формуле: v = 0,073oE – 0,063 / oE или по таблице.
Для пересчета системных единиц измерения динамической вязкости во внесистемные можно использовать равенство: 1 Па • с = 10 пуаз. Краткое обозначение записывается: П.
Обычно единицы измерения вязкости жидкости регламентируются нормативной документацией на готовый (товарный) продукт или технологическим регламентом на полупродукт вместе с допустимым диапазоном изменения этой качественной характеристики, а также с погрешностью ее измерения.
Для определения вязкости в лабораторных или производственных условиях пользуются вискозиметрами различной конструкции. Они могут быть ротационные, с шариком, капиллярные, ультразвуковые.
Принцип измерения вязкости в стеклянном капиллярном вискозиметре основан на определении времени истечения жидкости через калиброванный капилляр определенного диаметра и длины, при этом должна быть учтена постоянная вискозиметра. Так как вязкость материала зависит от температуры (с повышением ее она будет уменьшаться, что объясняется молекулярно-кинетической теорией как результат ускорения хаотического движения и взаимодействия молекул), поэтому испытуемая проба должна быть выдержана некоторое время при определенной температуре для усреднения последней по всему объему пробы. Существует несколько стандартизованных методов испытания вязкости, но наиболее распространенный — это межгосударственный стандарт ГОСТ 33-2000, на основании которого определяется кинематическая вязкость, единицы измерения в данном случае мм2/с (сСт), а динамическая вязкость пересчитывается, как произведение вязкости кинематической на плотность.
Вязкость жидкости — BESA Предохранительные клапаны
| жидкость | Температура (ºF) | Температура (ºC) | Кинематическая вязкость СантиСтокс (сСт) | Кинематическая вязкость Универсальная секундная стрелка Сейболта (SSU) |
|---|---|---|---|---|
| Ацетальдегид Ch4CHO | 61 | 16. 1 | 0.305 | 36 |
| Ацетальдегид Ch4CHO | 68 | 20 | 0.295 | |
| Уксусная кислота — уксус — 10% Ch4COOH | 59 | 15 | 1.35 | 31.7 |
| Уксусная кислота — 50% | 59 | 15 | 2.27 | 33 |
| Уксусная кислота — 80% | 59 | 15 | 2.85 | 35 |
| Уксусная кислота — концентрированная ледяная | 59 | 15 | 1.34 | 31.7 |
| Ангидрид уксусной кислоты (Ch4COO)2O | 59 | 15 | 0.88 | |
| Ацетон Ch4COCh4 | 68 | 20 | 0.41 | |
| Алкоголь — аллил | 68 | 20 | 1.60 | 31.8 |
| Алкоголь — аллил | 104 | 40 | HP 0.90 | |
| Спирт — бутил-н | 68 | 20 | 3.64 | 38 |
| Спирт — этиловый (зерновой) C2H5OH | 68 | 20 | 1. 52 | 31.7 |
| Спирт — этиловый (зерновой) C2H5OH | 100 | 37.8 | 1.2 | 31.5 |
| Спирт — метиловый (древесный) Ch4OH | 59 | 15 | 0.74 | |
| Спирт — метиловый (древесный) Ch4OH | 32 | 0 | 1.04 | |
| Спирт — пропил | 68 | 20 | 2.8 | 35 |
| Спирт — пропил | 122 | 50 | 1.4 | 31.7 |
| Сульфат алюминия — 36% раствор | 68 | 20 | 1.41 | 31.7 |
| аммоний | 0 | -17.8 | 0.30 | |
| анилин | 68 | 20 | 4.37 | 40 |
| анилин | 50 | 10 | 6.4 | 46.4 |
| Асфальт RC-0, MC-0, SC-0 | 77 | 25 | 159-324 | 737-1.5M |
| Асфальт RC-0, MC-0, SC-0 | 100 | 37.8 | 60-108 | 280-500 |
| Масло в картере автомата | 0 | -17. 8 | 1295-макс | 6M-макс. |
| SAE 10 Вт | ||||
| Масло в картере автомата | 0 | -17.8 | 1295-2590 | 6M-12M |
| SAE 10 Вт | ||||
| Масло в картере автомата | 0 | -17.8 | 2590-10350 | 12M-48M |
| SAE 20 Вт | ||||
| Масло в картере автомата | 210 | 98.9 | 5.7-9.6 | 45-58 |
| SAE 20 | ||||
| Масло в картере автомата | 210 | 98.9 | 9.6-12.9 | 58-70 |
| SAE 30 | ||||
| Масло в картере автомата | 210 | 98.9 | 12.9-16.8 | 70-85 |
| SAE 40 | ||||
| Масло в картере автомата | 210 | 98.9 | 16.8-22.7 | 85-110 |
| SAE 50 | ||||
| Автомобильное трансмиссионное масло | 210 | 98. 9 | 4.2 | 40 |
| SAE 75 Вт | ||||
| Автомобильное трансмиссионное масло | 210 | 98.9 | 7.0 | 49 |
| SAE 80 Вт | ||||
| Автомобильное трансмиссионное масло | 210 | 98.9 | 11.0 | 63 |
| SAE 85 Вт | ||||
| Автомобильное трансмиссионное масло | 210 | 98.9 | 14-25 | 74-120 |
| SAE 90 Вт | ||||
| Автомобильное трансмиссионное масло | 210 | 98.9 | 25-43 | 120-200 |
| SAE 140 | ||||
| Автомобильное трансмиссионное масло | 210 | 98.9 | 43 — мин | 200 |
| SAE150 | ||||
| Пиво | 68 | 20 | 1.8 | 32 |
| Бензол (бензол) C6H6 | 32 | 0 | 1.0 | 31 |
| Бензол (бензол) C6H6 | 68 | 20 | 0. | |
| Костяное масло | 130 | 54.4 | 47.5 | 220 |
| Костяное масло | 212 | 100 | 11.6 | 65 |
| Бром | 68 | 20 | 0.34 | |
| Бутан-н | -50 | -1.1 | 0.52 | |
| Бутан-н | 30 | 0.35 | ||
| масляная кислота н | 68 | 20 | 1.61 | 31.6 |
| масляная кислота н | 32 | 0 | HP 2.3 | |
| Хлорид кальция 5% | 65 | 18.3 | 1156 | |
| Хлорид кальция 25% | 60 | 15.6 | 4.0 | 39 |
| Карболовая кислота (фенол) | 65 | 18.3 | 11.83 | 65 |
| Карболовая кислота (фенол) | 194 | 90 | HP 1.26 | |
| Четыреххлористый углерод CCl4 | 68 | 20 | 0.612 | |
| Четыреххлористый углерод CCl4 | 100 | 37. 8 | 0.53 | |
| Сероуглерод CS2 | 32 | 0 | 0.33 | |
| Сероуглерод CS2 | 68 | 20 | 0.298 | |
| касторка | 100 | 37.8 | 259-325 | 1200-1500 |
| касторка | 130 | 54.4 | 98-130 | 450-600 |
| Китайское масло для дерева. | 69 | 20.6 | 308.5 | 1425 |
| Китайское масло для дерева. | 100 | 37.8 | 125.5 | 580 |
| Хлороформ | 68 | 20 | 0.38 | |
| Хлороформ | 140 | 60 | 0.35 | |
| Кокосовое масло | 100 | 37.8 | 29.8-31.6 | 140-148 |
| Кокосовое масло | 130 | 54.4 | 14.7-15.7 | 76-80 |
| Тресковый жир (рыбий жир) | 100 | 37.8 | 32.1 | 150 |
| Тресковый жир (рыбий жир) | 130 | 54. 4 | 19.4 | 95 |
| Кукурузное масло | 130 | 54.4 | 28.7 | 135 |
| Кукурузное масло | 212 | 100 | 8.6 | 54 |
| Раствор кукурузного крахмала | 70 | 21.1 | 32.1 | 150 |
| 22 Бауме | 100 | 37.8 | 27.5 | 130 |
| Раствор кукурузного крахмала | 70 | 21.1 | 129.8 | 600 |
| 24 Бауме | 100 | 37.8 | 95.2 | 440 |
| Раствор кукурузного крахмала | 70 | 21.1 | 303 | 1400 |
| 25 Бауме | 100 | 37.8 | 173.2 | 800 |
| Хлопковое масло | 100 | 37.8 | 37.9 | 176 |
| Хлопковое масло | 130 | 54.4 | 20.6 | 100 |
| Сырая нефть 48º API | 60 | 15.6 | 3.8 | 39 |
| Сырая нефть 48º API | 130 | 54. 4 | 1.6 | 31.8 |
| Сырая нефть 40º API | 60 | 15.6 | 9.7 | 55.7 |
| Сырая нефть 40º API | 130 | 54.4 | 3.5 | 38 |
| Сырая нефть 35.6º API | 60 | 15.6 | 17.8 | 88.4 |
| Сырая нефть 35.6º API | 130 | 54.4 | 4.9 | 42.3 |
| Сырая нефть 32.6º API | 60 | 15.6 | 23.2 | 110 |
| Сырая нефть 32.6º API | 130 | 54.4 | 7.1 | 46.8 |
| декан-н | 0 | 17.8 | 2.36 | 34 |
| декан-н | 100 | 37.8 | 1001 | 31 |
| Диэтилгликоль | 70 | 21.1 | 32 | 149.7 |
| Диэтиловый эфир | 68 | 20 | 0.32 | |
| Дизельное топливо 20 | 100 | 37.8 | 44714 | 32.6-45.5 |
| Дизельное топливо 20 | 130 | 54. 4 | 1.-3.97 | -39 |
| Дизельное топливо 30 | 100 | 37.8 | 6-11.75 | 45.5-65 |
| Дизельное топливо 30 | 130 | 54.4 | 3.97-6.78 | 39-48 |
| Дизельное топливо 40 | 100 | 37.8 | 29.8 макс | 140 макс |
| Дизельное топливо 40 | 130 | 54.4 | 13.1 макс | 70 макс |
| Дизельное топливо 60 | 122 | 50 | 86.6 макс | 400 макс |
| Дизельное топливо 60 | 160 | 71.1 | 35.2 макс | 165 макс |
| Этилацетат Ch4COOC2h4 | 59 | 15 | 0.4 | |
| Этилацетат Ch4COOC2h4 | 68 | 20 | 0.49 | |
| Этилбромид C2H5Br | 68 | 20 | 0.27 | |
| Этиленбромид | 68 | 20 | 0.787 | |
| Этилен хлорид | 68 | 20 | 0.668 | |
| Этиленгликоль | 70 | 21. 1 | 17.8 | 88.4 |
| Муравьиная кислота 10% | 68 | 20 | 1.04 | 31 |
| Муравьиная кислота 50% | 68 | 20 | 1.2 | 31.5 |
| Муравьиная кислота 80% | 68 | 20 | 1.4 | 31.7 |
| Муравьиная кислота концентрированная | 68 | 20 | 1.48 | 31.7 |
| Муравьиная кислота концентрированная | 77 | 25 | 1.57cp | |
| Фреон -11 | 70 | 21.1 | 0.21 | |
| Фреон -12 | 70 | 21.1 | 0.27 | |
| Фреон -21 | 70 | 21.1 | 1.45 | |
| фуральдегида | 68 | 20 | 1.45 | 31.7 |
| фуральдегида | 77 | 25 | 1.49cp | |
| Мазут 1 | 70 | 21.1 | 2.39-4.28 | 34-40 |
| Мазут 1 | 100 | 37.8 | -2.69 | 32-35 |
| Мазут 2 | 70 | 21. 1 | 3.0-7.4 | 36-50 |
| Мазут 2 | 100 | 37.8 | 2.11-4.28 | 33-40 |
| Мазут 3 | 70 | 21.1 | 2.69-5.84 | 35-45 |
| Мазут 3 | 100 | 37.8 | 2.06-3.97 | 32.8-39 |
| Мазут 5А | 70 | 21.1 | 7.4-26.4 | 50-125 |
| Мазут 5А | 100 | 37.8 | 4.91-13.7 | 42-72 |
| Мазут 5Б | 70 | 21.1 | 26.4- | 125- |
| Мазут 5Б | 100 | 37.8 | 13.6-67.1 | 72-310 |
| Мазут 6 | 122 | 50 | 97.4-660 | 450-3M |
| Мазут 6 | 160 | 71.1 | 37.5-172 | 175-780 |
| Газойли | 70 | 21.1 | 13.9 | 73 |
| Газойли | 100 | 37.8 | 7.4 | 50 |
| Бензин а | 60 | 15.6 | 0.88 | |
| Бензин а | 100 | 37. 8 | 0.71 | |
| Бензин б | 60 | 15.6 | 0.64 | |
| Бензин б | 100 | 37.8 | ||
| Бензин с | 60 | 15.6 | 0.46 | |
| Бензин с | 100 | 37.8 | 0.40 | |
| Глицерин 100% | 68.6 | 20.3 | 648 | 2950 |
| Глицерин 100% | 100 | 37.8 | 176 | 813 |
| Глицерин 50% вода | 68 | 20 | 5.29 | 43 |
| Глицерин 50% вода | 140 | 60 | HP 1.85 | |
| Глюкоза | 100 | 37.8 | 7.7M-22M | 35M-100M |
| Глюкоза | 150 | 65.6 | 880-2420 | 4M-11M |
| Гептаны-n | 0 | -17.8 | 0.928 | |
| Гептаны-n | 100 | 37.8 | 0.511 | |
| Гексан-н | 0 | -17.8 | 0.683 | |
| Гексан-н | 100 | 37. 8 | 0.401 | |
| меда | 100 | 37.8 | 73.6 | 349 |
| Чернила, принтеры | 100 | 37.8 | 550-2200 | 2500-10M |
| Чернила, принтеры | 130 | 54.4 | 238-660 | 1100-3M |
| Изоляционное масло | 70 | 21.1 | 24.1 макс | 115 макс |
| Изоляционное масло | 100 | 37.8 | 11.75 макс | 65 макс |
| Керосин | 68 | 20 | 2.71 | 35 |
| Реактивное топливо | -30. | -34.4 | 7.9 | 52 |
| Сало | 100 | 37.8 | 62.1 | 287 |
| Сало | 130 | 54.4 | 34.3 | 160 |
| Сало масло | 100 | 37.8 | 41-47.5 | 190-220 |
| Сало масло | 130 | 54.4 | 23.4-27.1 | 112-128 |
| Льняное масло | 100 | 37. 8 | 30.5 | 143 |
| Льняное масло | 130 | 54.4 | 18.94 | 93 |
| ртутный | 70 | 21.1 | 0.118 | |
| ртутный | 100 | 37.8 | 0.11 | |
| Метилацетат | 68 | 20 | 0.44 | |
| Метилацетат | 104 | 40 | HP 0.32 | |
| Метил йодид | 68 | 20 | 0.213 | |
| Метил йодид | 104 | 40 | HP 0.42 | |
| Менхаден масло | 100 | 37.8 | 29.8 | 140 |
| Менхаден масло | 130 | 54.4 | 18.2 | 90 |
| Молоко | 68 | 20 | 1.13 | 31.5 |
| Патока А, первая | 100 | 37.8 | 281-5070 | 1300-23500 |
| Патока А, первая | 130 | 54.4 | 151-1760 | 700-8160 |
| Б, второй | 100 | 37. 8 | 1410-13.2M | 6535-61180 |
| Б, второй | 130 | 54.4 | 660-3.3M | 3058-15294 |
| C, черная полоса | 100 | 37.8 | 2630-55M | 12190-255M |
| C, черная полоса | 130 | 54.4 | 1320-16.5M | 6120-76.5M |
| нафталин | 176 | 80 | 0.9 | |
| нафталин | 212 | 100 | HP 0.78 | |
| Масло для стула Neatstool | 100 | 37.8 | 49.7 | 230 |
| Масло для стула Neatstool | 130 | 54.4 | 27.5 | 130 |
| нитробензол | 68 | 20 | 1.67 | 31.8 |
| нонан-н | 0 | -17.8 | 1728 | 32 |
| нонан-н | 100 | 37.8 | 0.807 | |
| Октан-н | 0 | -17.8 | 1266 | 31.7 |
| Октан-н | 100 | 37.8 | 0. 645 | |
| Оливковое масло | 100 | 37.8 | 43.2 | 200 |
| Оливковое масло | 130 | 54.4 | 24.1 | |
| Пальмовое масло | 100 | 37.8 | 47.8 | |
| Пальмовое масло | 130 | 54.4 | 26.4 | |
| Арахисовое масло | 100 | 37.8 | 42 | 200 |
| Арахисовое масло | 130 | 54.4 | 23.4 | |
| пентан-н | 0 | 17.8 | 0.508 | |
| пентан-н | 80 | 26.7 | 0.342 | |
| Вазелин | 130 | 54.4 | 20.5 | 100 |
| Вазелин | 160 | 71.1 | 15 | 77 |
| Петролейный эфир | 60 | 15.6 | 31 (оценка) | 1.1 |
| Пропионовая кислота | 32 | 0 | HP 1.52 | 31.5 |
| Пропионовая кислота | 68 | 20 | 1. 13 | |
| Пропиленгликоль | 70 | 21.1 | 52 | 241 |
| Закалочное масло | 100-120 | 20.5-25 | ||
| Рапсовое масло | 100 | 37.8 | 54.1 | 250 |
| Рапсовое масло | 130 | 54.4 | 31 | 145 |
| Канифольное масло | 100 | 37.8 | 324.7 | 1500 |
| Канифольное масло | 130 | 54.4 | 129.9 | 600 |
| Канифоль (дерево) | 100 | 37.8 | 216-11M | 1M-50M |
| Канифоль (дерево) | 200 | 93.3 | 108-4400 | 500-20M |
| Кунжутное масло | 100 | 37.8 | 39.6 | 184 |
| Кунжутное масло | 130 | 54.4 | 23 | 110 |
| Хлорид натрия 5% | 68 | 20 | 1097 | 31.1 |
| Хлорид натрия 25% | 60 | 15.6 | 2. 4 | 34 |
| Гидроксид натрия (едкий натр) 20% | 65 | 18.3 | 4.0 | 39.4 |
| Гидроксид натрия (едкий натр) 30% | 65 | 18.3 | 10.0 | 58.1 |
| Гидроксид натрия (едкий натр) 40% | 65 | 18.3 | ||
| Соевое масло | 100 | 37.8 | 35.4 | 165 |
| Соевое масло | 130 | 5.4 | 19.64 | 96 |
| Сперма масло | 100 | 37.5 | 21-23 | 110 |
| Сперма масло | 130 | 54.4 | 15.2 | 78 |
| Серная кислота 100% | 68 | 20 | 14.56 | 76 |
| Серная кислота 100% | 140 | 60 | HP 7.2 | |
| Серная кислота 95% | 68 | 20 | 14.5 | 75 |
| Серная кислота 60% | 68 | 20 | 4.4 | 41 |
| Серная кислота 20% | 3M-8M | |||
| Серная кислота 20% | 650-1400 | |||
| Смола, коксовая печь | 70 | 21. 1 | 600-1760 | 15M-300M |
| Смола, коксовая печь | 100 | 37.8 | 141-308 | 2M-20M |
| Деготь, газовый дом | 70 | 21.1 | 3300-66M | 2500 |
| Деготь, газовый дом | 100 | 37.8 | 440-4400 | 500 |
| Деготь, сосна | 100 | 37.8 | 559 | 200-300 |
| Деготь, сосна | 132 | 55.6 | 108.2 | 55-60 |
| Толуол | 68 | 20 | 0.68 | 185.7 |
| Толуол | 140 | 60 | HP 0.38 | |
| Триэтиленгликоль | 70 | 21.1 | 40 | 400-440 |
| Триэтиленгликоль | 185-205 | |||
| скипидар | 100 | 37.8 | 86.5-95.2 | 1425 |
| скипидар | 130 | 54.4 | 39.9-44.3 | 650 |
| Лак, лонжерон | 68 | 20 | 313 | |
| Лак, лонжерон | 100 | 37. 8 | 143 | |
| Вода дистиллированная | 68 | 20 | 10038 | 31 |
| Вода пресная | 60 | 15.6 | 1.13 | 31.5 |
| Вода пресная | 130 | 54.4 | 0.55 | |
| Вода, море | 1.15 | 31.5 | ||
| Китовое масло | 100 | 37.8 | 35-39.6 | 163-184 |
| Китовое масло | 130 | 54.4 | 19.9-23.4 | 97-112 |
| Ксилол-о | 68 | 20 | 0.93 | |
| Ксилол-о | 104 | 40 | HP 0.623 |
6 способов измерения вязкости жидкости
Вязкость является одним из наиболее важных физических свойств промышленных жидкостей, таких как покрытия, краски и клеи.
Реклама
По сути, вязкость указывает на устойчивость жидкости к деформации под действием напряжения сдвига или растяжения. Другими словами, это свойство описывает трение между молекулами жидкости, вызывающее противоположное относительное движение между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями.
Вязкость может быть подсказкой о том, как жидкость будет вести себя под действием приложенной силы или собственного веса.
Чем более вязкая жидкость, тем «гуще» она кажется. Например, масло или смазка имеют более высокую вязкость, чем вода, и поэтому кажутся более густыми.
Реклама
Производители масел, покрытий, красок и клеев часто сталкиваются с задачей определения оптимальной вязкости своих продуктов для конкретных применений. (Для получения дополнительной информации по этой теме см.: Требования к обслуживанию и факторы окружающей среды для покрытий .)
Жидкости с низкой вязкостью имеют тенденцию к более легкому течению. Поэтому наличие покрытия со слишком низкой вязкостью может привести к растеканию и провисанию. С другой стороны, покрытие со слишком высокой вязкостью может быть «жестким» и трудно наносимым.
В этой статье мы рассмотрим разницу между динамической и кинематической вязкостью, а также различные методы их измерения.
Динамическая вязкость
Динамическая вязкость, также известная как абсолютная вязкость, представляет собой сопротивление жидкости сдвиговому течению из-за приложенной внешней силы. Он описывает величину внутреннего сопротивления, возникающего при движении одного слоя жидкости над другим слоем в горизонтальной плоскости.
Реклама
Динамическая вязкость особенно полезна при описании неньютоновских жидкостей.
Математически динамическая вязкость может быть выражена как:
μ = τdy / dc = τ/γ
Где:
- τ = напряжение сдвига в жидкости (Н/м 2 909044).
- μ = динамическая вязкость жидкости (Н с/м 2 ).
- dc = единица скорости (м/с).
- dy = единица расстояния между слоями (м).
- γ = dc / dy = скорость сдвига (с -1 ).
Единицей динамической вязкости в системе СИ является Н·с/м 2 или Паскаль-секунда (Па с).
Другой единицей измерения динамической вязкости является пуаз (p), где один пуаз равен одной десятой Н·с/м 2 или 1/10 Па·с.
Единица равновесия иногда может быть слишком большой для практических целей. По этой причине вместо нее часто используется единица сантипуаз (сП). В единицах сантипуаз один сП равен 0,01P, 0,001 Н·с/м 2 или 0,001 Па·с.
Кинематическая вязкость
Кинематическая вязкость — это просто отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Он отражает сопротивление жидкости сдвиговому течению под действием силы тяжести, т. е. сдвиговому течению под действием собственного веса жидкости.
Эта вязкость особенно полезна при описании ньютоновских жидкостей. Математически кинематическая вязкость может быть выражена как:
ν = μ / ρ
Где:
- ν = кинематическая вязкость (м 2 /с).
- μ = абсолютная или динамическая вязкость (Н с/м 2 ).
- ρ = плотность (кг/м 3 ).
Единицей динамической вязкости в системе СИ является м 2 /с. Другой единицей измерения этого свойства является Стокс (St), где один St равен 10 9 .0044 -4 м 2 /с равно 1 см 2 /с.
Если значение вязкости в стоках слишком велико, вместо него часто используется меньшая единица сантистокс (сСт). В сантистоксе один сСт равен 10 -6 м 2 /с = 1 мм 2 /с.
Как измеряется вязкость?
Существует несколько различных методов измерения как динамической, так и кинематической вязкости. Вот некоторые из наиболее распространенных методов:
1. Вискозиметры
Вискозиметры используются для определения кинематической вязкости жидкости и обычно изготавливаются из анодированного алюминия с отверстием из нержавеющей стали. (Для получения дополнительной информации по этой теме см.
: Понимание коррозии алюминия .)
Этот относительно простой тест включает помещение жидкости в контейнер с небольшим отверстием на дне. Жидкости позволяют протекать через отверстие в точном количестве. Время, необходимое для прохождения жидкости через отверстие, измеряется и коррелируется с вязкостью с помощью диаграмм, поставляемых для данного стакана.
Вискозиметры обычно используются для измерения консистенции красок, лаков и подобных продуктов. Затем таблица используется для преобразования времени истечения (в секундах) в вязкость в сантистоксах (сСт).
Вискозиметры Ford и Zahn являются одними из наиболее часто используемых разновидностей вискозиметров. Дизайн каждой чашки уникален; таким образом, необходимо соблюдать осторожность при сравнении значений вязкости между различными типами чашек. Значения, предоставляемые вискозиметром, являются абсолютными значениями и не включают допустимые допуски, поскольку они значительно различаются между каждым из стандартов.
2. Вибрационные вискозиметры
Вибрационные вискозиметры работают путем погружения колеблющегося электромеханического резонатора в испытательную жидкость и измерения степени демпфирования предложений жидкости. Резонатор обычно колеблется либо крутильными, либо поперечными колебаниями, и демпфирование может быть определено следующим образом:
- Запись входной мощности, необходимой для поддержания вибрации устройства с постоянной амплитудой.
- Измерение времени затухания колебаний после отключения вибрации.
- Измерение частоты резонатора по отношению к различным фазовым углам.
Кварцевый вискозиметр является одним из примеров вибрационного вискозиметра. В этом методе колеблющийся кристалл кварца погружается в жидкость, и специфическое влияние на колебательное поведение определяет вязкость. Электрическое поле, приложенное к осциллятору, заставляет датчик двигаться, что приводит к сдвигу жидкости.
(Подробнее по этой теме см.: Коррозия и электрические помехи в подземных металлических конструкциях .)
На движение датчика влияют внешние силы (напряжение сдвига) жидкости, которые влияют на электрический отклик датчика.
3. Ротационные вискозиметры
Ротационные вискозиметры работают путем измерения крутящего момента, необходимого для вращения объекта в тестовой жидкости. Вот как происходит процесс:
- Одна из поверхностей неподвижна.
- Сопрягаемая поверхность вращается внешним приводом.
- Жидкость заполняет пространство между поверхностями. Крутящий момент, необходимый для вращения диска или боба с заданной скоростью, измеряется и записывается.
Крутящий момент, поддерживающий заданную скорость, прямо пропорционален вязкости; следовательно, устройство способно выводить значения вязкости, напряжения сдвига и скорости сдвига.
Поскольку к жидкости прикладывается внешняя сила сдвига, ротационные вискозиметры измеряют динамическую вязкость жидкости.
Чашки, поплавки, конусы и пластины относятся ко всем типам ротационных вискозиметров. Чашечный вискозиметр и вискозиметр Боба состоят из коаксиальных цилиндров разного диаметра. Объем образца, подлежащего резке, хранится в испытательной ячейке; крутящий момент, необходимый для достижения определенной скорости вращения, измеряется и отображается на графике.
Конусные и пластинчатые вискозиметры оснащены точным измерителем крутящего момента, который приводится в действие в виде дискретной скорости вращения. Он использует узкоугольный конус в непосредственной близости от плоской пластины. Вязкость рассчитывается по напряжению сдвига и скорости сдвига. (Для получения дополнительной информации по этой теме см.: Влияние коррозии на сдвиговое поведение материалов .)
4.
Капиллярные вискозиметрыКапиллярный вискозиметр является одним из первых известных методов определения вязкости жидкости.
Этот метод измеряет время, необходимое для протекания определенного объема жидкости через U-образную капиллярную трубку известного диаметра и длины. Трубка обычно имеет две метки — верхнюю и нижнюю — которые используются в качестве эталона измерения. Время, необходимое жидкости для прохождения этих отметок, пропорционально кинематической вязкости; следовательно, вязкость можно определить по стандартным формулам.
Капиллярные вискозиметры включают вискозиметры Оствальда и Уббелоде. Оба имеют U-образную форму, имеют две стеклянные колбы и используют капиллярные трубки. (Для получения дополнительной информации о том, как стекло может предотвратить коррозию, см.: A Взгляните на антикоррозионные покрытия для внутренней защиты от коррозии .)
Однако одним из основных преимуществ вискозиметра Уббелоде является то, что общий объем используемой жидкости.
Основное различие между вискозиметрами Оствальда и Уббелоде заключается в том, что вискозиметр Оствальда подходит для измерения жидкостей с низкой и средней вязкостью, тогда как вискозиметр Уббелоде подходит для измерения жидкостей с высокой вязкостью.
5. Вискозиметр с падающей сферой
Вискозиметр с падающей сферой используется для определения динамической вязкости прозрачной ньютоновской жидкости.
Концепция включает измерение времени, за которое сфера известной плотности падает через заполненную образцом трубку под действием силы тяжести. Трубка обычно устанавливается на аппарат, который может быстро поворачиваться на 180 градусов, что позволяет проводить повторные испытания. Среднее время трех испытаний регистрируется и используется в формуле преобразования для определения вязкости образца.
Вискозиметры с падающей сферой используются для контроля качества в различных отраслях промышленности, а также в академических учреждениях для иллюстрации научного метода.
Простота использования и простой метод записи измерений времени гарантируют значимые результаты испытаний.
6. Консистометры
Консистометр представляет собой прибор, состоящий из металлического желоба с небольшой секцией, запертой за подпружиненным затвором. Вот как это работает:
- Испытуемый образец помещается за подпружиненный затвор.
- Ворота поднимаются, позволяя образцу свободно течь под собственным весом.
- Расстояние, которое проходит жидкость за определенное время, измеряется с помощью градаций прибора.
Консистометр сам по себе не измеряет значения вязкости напрямую; вместо этого он позволяет пользователям разрабатывать свои собственные стандарты для тестируемых продуктов. Этот метод более популярен в пищевой промышленности и обычно используется для измерения вязкости таких продуктов, как кетчуп, майонез, варенье, начинки, супы, детское питание и заправки для салатов.
(Подробнее о пищевой промышленности см.: Коррозионные свойства алюминия и его сплавов .)
Факторы, влияющие на вязкость
Существуют различные факторы, от которых зависит вязкость жидкости. Это:
- Температура жидкости. Обычно вязкость жидкости уменьшается с повышением температуры. Однако вязкость газа обычно увеличивается с повышением температуры.
- Условия потока. При ламинарном течении вязкость жидкости остается постоянной; тогда как для турбулентного потока вязкость изменяется.
- Давление. При повышении давления вязкость газа обычно увеличивается. Для жидкостей, поскольку они несжимаемы, давление не имеет большого значения.
- Многофазный поток. Вязкость многофазного потока зависит от объема каждой фазы.
- Взвешенные частицы. Взвешенные материалы увеличивают вязкость.
Закон вязкости Ньютона
Связь между напряжением сдвига жидкости и скоростью сдвига под действием механического напряжения определяется законом вязкости Ньютона.
Закон вязкости Ньютона гласит, что при данных температуре и давлении напряжение сдвига между двумя соседними слоями жидкости пропорционально градиенту скорости между этими слоями. Иными словами, отношение напряжения сдвига к скорости сдвига в жидкости является константой и представляет собой коэффициент вязкости.
Однако закон вязкости Ньютона применим только к ньютоновским жидкостям. Неньютоновские жидкости не подчиняются закону вязкости Ньютона; поэтому их вязкость изменяется и зависит от скорости сдвига.
Заключение
Вязкость является важным свойством жидкости, которое необходимо для ряда различных продуктов в различных отраслях промышленности.
Динамическая и кинематическая вязкости описывают разные свойства и могут давать очень разные результаты при тестировании жидкостей.
Поэтому важно понимать разницу между типами вязкости и использовать соответствующие тестовые механизмы для пробы.
Реклама
Связанные термины
- Вязкость
- Вискозиметр
- Вискозиметр
- Кинематическая вязкость
- Динамическая вязкость
- Кубок Зана
- Напряжение сдвига жидкости
- Резонатор
- Сила сдвига
- Физические свойства
Поделиться этой статьей
Измерение вязкости | Натуральные продукты INSIDER
20 июля 2006 г.
Измерение вязкости
Ричард Кроули
Ответственный редактор
Внешний вид, вкус, питательность и консистенция — четыре основных фактора качества пищи, и каждый из них является важным компонентом удовольствия, которое люди получают от еды.
Достижение и поддержание надлежащей текстуры, а также возможность ее количественного определения для целей контроля качества имеют решающее значение. Эти свойства также имеют решающее значение при разработке производственных процессов и оборудования. Хотя некоторые люди проводят различие между текстурой твердых продуктов и вязкостью жидких продуктов, многие продукты обладают как твердыми, так и жидкими свойствами, что затрудняет разграничение между текстурой и вязкостью. Это особенно верно, когда к продукту применяется стресс.
Вязкость – это внутреннее трение жидкости или ее склонность сопротивляться течению, другими словами, сопротивляемость течению и изменениям формы. Хотя имя Исаака Ньютона редко связывают с дисциплиной пищевой науки, этот выдающийся ученый первым изучил течение жидкостей и выдвинул гипотезу о том, что сопротивление, возникающее из-за отсутствия скользкости частей жидкости, при прочих равных условиях , пропорциональна скорости, с которой части жидкости отделяются друг от друга.
Впоследствии он разработал математическое описание сопротивления жидкости деформации или течению при приложении напряжения. Этот принцип был использован для определения класса жидкостей, известных как ньютоновские жидкости (например, вода). В 1800-х годах другие ученые расширили эти знания и разработали методологии для изучения потока жидкости в капиллярных трубках и других отверстиях. Эти достижения привели к разработке первых испарительных и ротационных вискозиметров в конце 1800-х годов. Эти инструменты измеряли вязкость с использованием потока под действием напряжения (силы тяжести) и очень похожи на некоторые инструменты, методы и принципы, которые все еще используются сегодня.
Грунтовка для повышения вязкости
Сопротивление течению математически определяется как напряжение сдвига, деленное на скорость деформации сдвига. Напряжение сдвига — это сила, действующая в плоскости жидкости, а скорость сдвига — это градиент скорости жидкости между пластинами.
Скорость сдвига учитывает расстояние между пластинами. Он определяется с точки зрения силы, необходимой для непрерывного перемещения одной плоской поверхности мимо другой в заданных стационарных условиях, когда пространство между ними заполнено определенной жидкостью. Хотя абсолютную вязкость можно измерить непосредственно, если известны точные размеры измерительных приборов, чаще калибруют прибор с помощью жидкости известной вязкости (т. е. эталона) и определяют вязкость неизвестной жидкости путем сравнения с вязкостью известный.
Продукты имеют различные типы текучести. В ньютоновских материалах вязкость не зависит от изменения скорости сдвига и остается постоянной. Однако изменения скорости сдвига влияют на вязкость неньютоновских материалов. Большинство пищевых продуктов попадают в эту категорию и проявляют определенные свойства:
- Псевдопластичность: по мере увеличения скорости сдвига вязкость уменьшается.
- Пластичный (также известный как вязкопластичный): предел текучести должен быть достигнут до того, как начнется течение, и жидкость проявит псевдопластическое поведение с уменьшением вязкости и увеличением сдвига.
- Дилатант: По мере увеличения скорости сдвига вязкость увеличивается, и возникают характеристики вязкости, зависящие от времени или направления.
- Тиксотропный: Вязкость уменьшается с постоянной скоростью сдвига с течением времени.
- Реопектический: Вязкость увеличивается с постоянной скоростью сдвига с течением времени.
- Пластмасса Бингама: напряжение сдвига (т. е. предел текучести) должно быть приложено для инициирования течения, и на течение не влияют изменения скорости сдвига
Неньютоновское течение основано на когезии смеси молекул различной формы и размеры, и какое усилие требуется для их перемещения. При каждой скорости сдвига выравнивание может быть разным, и для поддержания движения может потребоваться большее или меньшее усилие. Поведение потока характеризуется тем, как изменяется вязкость жидкости в ответ на изменение скорости сдвига.
Помимо скорости сдвига и времени, необходимо контролировать несколько других факторов, чтобы обеспечить точность данных.
Температура имеет решающее значение, поскольку вязкость уменьшается с повышением температуры. Наиболее очевидным примером является изменение потока от льда к жидкой воде (например, от 1 сП при 20°С до 0,2838 сП при 100°С). Образец должен быть репрезентативным, а однородность обеспечит разделение фаз, а также неравномерное рассеивание воздуха и частиц. В большинстве случаев следует избегать физических или химических изменений (например, затвердевания или гелеобразования), если только данные не предназначены для определения соотношения вязкость/время. Турбулентность может повлиять на напряжение сдвига, поэтому образцы не следует трясти во время измерения. Тип используемого прибора и его параметры должны быть указаны, чтобы иметь связь между показаниями вязкости, особенно при относительных измерениях. В большинстве случаев изменения давления не влияют на пищевые продукты, хотя чрезвычайно высокое давление имеет тенденцию к увеличению вязкости.
Многие вещества имеют переменную вязкость и менее устойчивы к течению при более высоких скоростях потока.
В таких случаях для измерения выбирается заданный набор условий, и полученное измерение считается кажущейся вязкостью. Поскольку изменение условий измерения приведет к другому значению кажущейся вязкости таких веществ, необходимо строго соблюдать параметры прибора и условия измерения.
Удержать равновесие
Основной единицей абсолютной вязкости является пуаз, равный 1 г/см-секунду или дин-секунду на квадратный сантиметр. Однако вязкость обычно представляет собой доли пуаза, поэтому общепринятой единицей для выражения абсолютной вязкости является сантипуаз (1/100 пуаза). Измерение вязкости выполняется с использованием уравнения: вязкость (ß) = напряжение сдвига (t), деленное на скорость сдвига (D). Единицы вязкости выражаются либо в паскалях-секундах (Pas), либо в миллипаскалях-секундах (mPas), либо в пуазах (P) и сантипуазах (cP). Один мПа равен одному сП. Вязкость пищевых продуктов обычно выражается в сП или мПа·с. Вода при 20°C имеет абсолютную вязкость один мПас или один сантипуаз.
Кинетическая вязкость иногда используется в качестве единицы измерения ньютоновских жидкостей, измеряемой через капиллярную трубку. Кинетическая вязкость ( v ) = вязкость ( ß ), деленная на плотность жидкости. Единицами кинетической вязкости являются квадратные миллиметры в секунду, стоксы или сантистоксы. Для получения кинематической вязкости из абсолютной вязкости последнюю делят на плотность жидкости при той же температуре (т. е. кинематическая вязкость = абсолютная вязкость/плотность).
Выбор инструмента и метода
Выбор метода и инструментария основан на свойствах матрицы и требуемой степени точности. Метод USP для измерения вязкости включает определение времени, необходимого для того, чтобы заданный объем жидкости протекал через капиллярную трубку. Доступны несколько типов капиллярных вискозиметров. Капиллярные трубки измеряют время, необходимое для прохождения стандартного объема жидкости через трубку определенной длины.
Однако онлайновый прибор, используемый для целей контроля качества, может не требовать такой же степени точности, как прибор для лабораторного эксперимента. Повторяемость в пределах определенного диапазона всегда является требованием.
Ротационный вискозиметр — чрезвычайно эффективный прибор, широко используемый в пищевой промышленности. Этот вискозиметр использует груз или шпиндель, погруженный в испытуемый образец, и измеряет сопротивление движению вращающейся части. Доступны различные шпиндели для заданных диапазонов вязкости и несколько скоростей вращения. Цилиндр или другая круглая геометрическая форма используется для создания определенной скорости сдвига в образце и измерения сопротивления потоку за счет создаваемого крутящего момента.
Например, анализ томатного экстракта проводится с использованием ротационного вискозиметра, снабженного шпинделем, имеющим цилиндр диаметром 1,47 см и высотой 0,16 см, прикрепленным к валу диаметром 0,32 см. Расстояние между вершиной цилиндра и нижним концом вала 3,02 см.
Шпиндель вращается с соответствующей скоростью и глубиной погружения, чтобы получить показания шкалы от 10% до 90% полной шкалы. Вязкость рассчитывается путем умножения показания шкалы на постоянную для используемого шпинделя и скорости.
Эти приборы производят точные измерения абсолютной вязкости для широкого спектра матриц. Поскольку скорость сдвига может варьироваться, можно строить кривые течения неньютоновских жидкостей, а влияние времени можно изучать либо вручную, либо автоматически.
Эти инструменты измеряют скорость сдвига в зависимости от постоянного крутящего момента или измеряют крутящий момент с определенной скоростью сдвига. Калибровка вискозиметров производится путем определения постоянной вискозиметра х для каждого вискозиметра с использованием масла известной вязкости. Константа ( k ) рассчитывается вискозиметром по уравнению: k = v/d t , где v — известная вязкость жидкости в сантипуазах, d — удельный вес испытуемой жидкости, а t время в секундах, за которое жидкость проходит от верхней отметки до нижней отметки.
Также доступны другие методики. Например, эмпирические консистометры измеряют расстояние потока определенного объема продукта за определенное время. При использовании вискозиметра Оствальда трубку наполняют точным количеством образца, а мениск столба жидкости в капиллярной трубке доводят до уровня верхней градуировки с помощью давления или отсоса. И наполнительная, и капиллярная трубки открыты, что позволяет жидкости течь в резервуар против атмосферного давления. Время истечения жидкости от верхней метки до нижней метки в капиллярной трубке регистрируют в секундах. Производные целлюлозы обычно используются в качестве текстуризаторов, а измерение вязкости растворов высоковязких типов метилцеллюлозы слишком вязко для общедоступных вискозиметров. Вискозиметр Уббелоде можно приспособить для измерения диапазонов вязкости растворов метилцеллюлозы.
В вискозиметрах с падающим шариком стандартная трубка заполняется измеряемым продуктом и измеряется время прохождения шарика между двумя указанными точками.
Время при заданной вязкости зависит от плотности шарика, а также от диаметра трубки и шарика. Осциллирующие вискозиметры используют вибрирующий стержень, шар или пластину, колеблющиеся с контролируемой амплитудой. Вискозиметры с отверстием состоят из капельницы с отверстием определенного размера на дне. Вискозиметр Зана, который обычно используется в пищевой промышленности, часто называют чашечным вискозиметром. Многие из этих мер являются относительными и не связаны с единицами абсолютной вязкости.
Вся правда
Анализ вязкости является важным компонентом контроля качества многих продуктов. Однако следует помнить, что сенсорные и органолептические свойства в значительной степени зависят от личного восприятия и не могут быть измерены с помощью аналитических приборов. Достижения в области инструментов будут и впредь обеспечивать расширенный контроль свойств текстуры с использованием специальных устройств для количественного определения вязкости.
