Вязкость является одним из наиболее важных физических свойств промышленных жидкостей, таких как покрытия , краски и клеи.
По сути, вязкость указывает на устойчивость жидкости к деформации сдвиговыми или растягивающими напряжениями . 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 вязкой является жидкость, тем «гуще» она кажется. Например, масло или смазка имеют более высокую вязкость, чем вода, и поэтому кажутся более густыми.
Производителям масел, покрытий , красок и клеев часто приходится определять оптимальную вязкость своей продукции для конкретных применений.
Жидкости с низкой вязкостью имеют тенденцию течь легче. Следовательно, покрытие со слишком низкой вязкостью может привести к растеканию и провисанию . С другой стороны, покрытие со слишком высокой вязкостью может оказаться «жестким» и его будет трудно наносить.
В этой статье мы рассмотрим разницу между динамической и кинематической вязкостью , а также различные методы ее измерения.
Динамическая вязкость
Динамическая вязкость , также известная как абсолютная вязкость, представляет собой сопротивление жидкости сдвиговому потоку из-за приложенной внешней силы. Он описывает величину внутреннего сопротивления, возникающего, когда один слой жидкости движется над другим слоем в горизонтальной плоскости.
Динамическая вязкость особенно полезна при описании неньютоновских жидкостей.
Математически динамическую вязкость можно выразить как:
µ = τ dy/dc = τ/γ
Где:
- τ = касательное напряжение в жидкости (Н/м 2 ).
- μ = динамическая вязкость жидкости (Н·с/м 2 ).
- dc = единичная скорость (м/с).
- dy = единичное расстояние между слоями (м).
- γ = dc/dy = скорость сдвига (с -1 ).
Единицей СИ для динамической вязкости является Н·с/м 2 или Паскаль-секунда (Па·с). Другой единицей измерения динамической вязкости является пуаз (п), где один пуаз равен одной десятой Н·с/м 2 или 1/10 Па·с.
Единица пуаз иногда может быть слишком большой для практических целей. По этой причине вместо него часто используется единица сантипуаз (сП). В сантипуазах 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. Оно отражает сопротивление жидкости сдвиговому потоку под действием силы тяжести, т. е. сдвиговому потоку, обусловленному собственным весом жидкости.
Эта вязкость особенно полезна при описании ньютоновских жидкостей. Математически кинематическую вязкость можно выразить 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 Сток (Ст), где один Ст, равный 10 -4 м 2 /с, равен 1 см 2 /с.
Если значение вязкости в Стоке слишком велико, вместо него часто используется меньшая единица сантистокс (сСт). В сантистоксах 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. Некоторые из наиболее распространенных методов следующие:
1. Чашки для определения вязкости
Чашки для измерения вязкости используются для определения кинематической вязкости жидкости и обычно изготавливаются из анодированного алюминия с отверстием из нержавеющей стали.
Этот относительно простой тест предполагает помещение жидкости в контейнер с небольшим отверстием внизу. Жидкости позволяют течь через отверстие в точном количестве. Время, необходимое жидкости для прохождения через отверстие, измеряется и коррелируется с вязкостью с помощью диаграмм, прилагаемых к данной чашке.
Чашки для измерения вязкости обычно используются для измерения консистенции красок, лаков и аналогичных продуктов. Затем используется таблица для преобразования времени истечения (в секундах) в вязкость в сантистоксах (сСт).
Чашки Форда и Зана являются одними из наиболее часто используемых разновидностей чашек для измерения вязкости. Дизайн каждой чашки уникален; поэтому необходимо соблюдать осторожность при сравнении значений вязкости между чашками разных типов. Значения, предоставляемые вискозиметром, являются абсолютными и не включают допустимые допуски, поскольку они значительно различаются в зависимости от стандартов.
2. Вибрационные вискозиметры
Вибрационные вискозиметры работают путем погружения колеблющегося электромеханического резонатора в испытательную жидкость и измерения степени демпфирования, которую обеспечивает жидкость. Резонатор обычно совершает крутильные или поперечные колебания, а демпфирование можно определить по формуле:
- Регистрация потребляемой мощности, необходимой для поддержания постоянной амплитуды вибрации устройства .
- Измерение времени затухания колебаний после выключения вибрации.
- Измерение частоты резонатора при изменении фазовых углов.
Кварцевый вискозиметр является одним из примеров вибрационного вискозиметра. При использовании этого метода колеблющийся кристалл кварца погружается в жидкость, и конкретное влияние на колебательное поведение определяет вязкость. Электрическое поле, приложенное к генератору, заставляет датчик двигаться, что приводит к сдвигу жидкости.
На движение датчика затем 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 испытательной жидкости. Вот как происходит этот 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 выдавать значения вязкости, напряжения сдвига и скорости сдвига. Поскольку к жидкости прикладывается внешняя сила сдвига , ротационные вискозиметры измеряют динамическую вязкость жидкости.
Чашки, бобышки, конусы и тарелки — все типы ротационных вискозиметров. Чашечные и бобовые вискозиметры состоят из коаксиальных цилиндров разного диаметра. Объем образца, подлежащего разрезанию, 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 движение дискретной скоростью вращения. Он использует узкоугольный конус в непосредственной близости от плоской пластины. Вязкость рассчитывается по напряжению сдвига и скорости сдвига.
4. Капиллярные вискозиметры
Капиллярный вискозиметр — один из первых известных методов определения вязкости жидкости.
Этот метод измеряет время, необходимое для прохождения определенного объема жидкости через U-образную капиллярную трубку известного диаметра и длины. На трубке обычно имеются две отметки — верхняя и нижняя, которые используются в качестве эталона при измерении. Время, необходимое жидкости для прохождения этих отметок, пропорционально кинематической вязкости; следовательно, вязкость можно определить по стандартным формулам.
К капиллярным вискозиметрам относятся вискозиметры Оствальда и Уббелоде. Оба инструмента имеют U-образную форму, имеют две стеклянные колбы и используют капиллярные трубки.
Однако одним из основных преимуществ вискозиметра Уббелоде является то, что получаемые им значения не зависят от общего объема используемой жидкости. Ключевое различие между вискозиметрами Оствальда и Уббелоде состоит 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. Вискозиметры с падающей сферой
Вискозиметр с падающей сферой используется для определения динамической вязкости прозрачной ньютоновской жидкости.
Концепция предполагает измерение времени, которое требуется сфере известной плотности, чтобы пропасть через заполненную образцом трубку под действием силы тяжести. Трубку обычно монтируют на аппарате, который может быстро поворачиваться на 180 градусов, чтобы обеспечить возможность повторного тестирования. 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 научных методов. Простота использования и простой метод записи измерений времени обеспечивают значимые результаты испытаний.
6. Консистометры
Консистометр представляет собой прибор, состоящий из металлического желоба с небольшой секцией, закрытой подпружиненной заслонкой. Вот как это работает:
- Испытуемый образец помещается за подпружиненным затвором.
- Затвор поднимается, позволяя образцу свободно течь под собственным весом.
- Расстояние, на которое жидкость течет за определенное время, измеряется по градациям прибора.
Сам консистометр не измеряет значения вязкости напрямую; вместо этого он позволяет пользователям разрабатывать свои собственные стандарты, специфичные для тестируемых продуктов. Этот метод более популярен в пищевой промышленности и обычно используется для измерения вязкости таких продуктов, как кетчуп, майонез, консервы, начинки, супы, детское питание и заправки для салатов.
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 при турбулентном потоке вязкость изменяется.
- Давление. Когда давление увеличивается, вязкость газа обычно увеличивается. Для жидкостей, поскольку они несжимаемы, давление не имеет большого влияния.
- Многофазный поток. Вязкость многофазного потока изменяется в зависимости от объема каждой фазы.
- Взвешенные частицы. Взвешенные материалы приводят к увеличению вязкости.
Закон вязкости Ньютона
Взаимосвязь между напряжением сдвига жидкости и скоростью сдвига под действием механического напряжения определяется законом вязкости Ньютона.
Закон вязкости Ньютона гласит, что при заданных температуре и давлении напряжение сдвига между двумя соседними слоями жидкости пропорционально градиентам скорости между этими слоями. Иными словами, отношение напряжения сдвига к скорости сдвига в жидкости является константой и является коэффициентом вязкости.
Однако закон вязкости Ньютона применим только к ньютоновским жидкостям. Неньютоновские жидкости не подчиняются закону вязкости Ньютона; и поэтому их вязкость меняется и зависит от скорости сдвига.
Заключение
Вязкость — важное свойство жидкости, которое необходимо для ряда различных продуктов в различных отраслях промышленности.
Динамическая и кинематическая вязкость описывают разные свойства и могут давать очень разные результаты при тестировании жидкостей. Поэтому важно понимать разницу между типами вязкости и использовать соответствующие механизмы испытаний для конкретного образца.