Dimensiunea vâscozității dinamice în sistemul SI. Chimia petrolului. Vâscozitatea gazelor și vaporilor de ulei

Să începem cu elementele de bază. Orice lichid, în acest caz ulei, folosit în mecanisme complexe, are propria sa vâscozitate. Să lăsăm chimia în pace, deși cu siguranță face din lubrifiant produsul pentru care plătim bani.

Să luăm în considerare una dintre cele mai importante proprietăți fizice - vâscozitatea uleiului. În ciuda faptului că parametrul depinde direct de compoziția chimică, aceasta este fizică pură. Vâscozitatea depinde direct de temperatura și presiunea uleiului.

Demonstrarea fluidității uleiului pe un comparator de vâscozitate

Ambii acești factori sunt reglementați de sistemele motorului:

• răcire;
• ventilatie carter.

Valoarea absolută este vâscozitatea dinamică. O valoare mai flexibilă (în funcție de mai mulți factori) este cinematică. Conform sistemului tradițional CGS (centimetru-gram-secundă), vâscozitatea este măsurată în poises (dinamică) și stokes (cinematică). Există și alte unități de măsură.

Ce este vâscozitatea uleiului?

Acesta este un concept destul de complex. Din punct de vedere teoretic, aceasta este rezistența la curgerea fluidului (antipodul fluidității). Din punct de vedere al fizicii practice, rezistența este formată de forța de frecare dintre particulele care alcătuiesc uleiul.

Demonstrarea dependenței vâscozității uleiului de temperatură

În primul rând, proprietățile de lubrifiere ale uleiului de motor depind de vâscozitate. Datorită echilibrului corect, lubrifiantul este distribuit uniform și reținut pe suprafața pieselor. Frecarea este redusă, mecanismele se uzează mai puțin și este cheltuită mai puțină energie pentru mișcarea lor. Un efect secundar este economia de combustibil.

Deoarece vâscozitatea uleiului depinde de temperatură și presiune, este necesar să se acorde compoziției chimice astfel de caracteristici care să permită uleiului de motor să-și mențină parametrii în toate condițiile de funcționare.

Proprietățile fluidelor tehnice nu trebuie lăsate să se modifice în cadrul temperaturii de funcționare a motorului. Pentru a clarifica acest parametru, alături de valoarea numerică a vâscozității, este indicată într-un fel sau altul condiția în care se efectuează măsurarea. Acestea sunt informații pentru tehnicienii de laborator. și nu cumpărători de lubrifianți.

Producătorii de automobile pun cerințe foarte specifice producătorilor de lubrifianți, în special în ceea ce privește vâscozitatea. Prin urmare, atunci când selectați uleiul de motor, ar trebui să acordați atenție acestui parametru.

Dacă utilizați ulei de motor cu încălcarea recomandărilor din fabrică, vâscozitatea fie nu va corespunde condițiilor de temperatură, fie valoarea sa se va schimba în mod imprevizibil.

Acest lucru poate duce la următoarele probleme:

1. Lubrifiantul se va îngroșa și va îngreuna deplasarea prin canalele de ulei;
2. Grosimea filmului de lucru nu va îndeplini cerințele șoferilor-producători;
3. Uleiul nu va rămâne în zona de lucru, metalul va rămâne „gol”.

Ca urmare, va apărea lipsa de ulei și efectul frecării uscate. Piesele se vor supraîncălzi și se vor uza rapid, ceea ce va duce inevitabil la defectarea motorului.

Consecințele lipsei de ulei de motor

Vâscozitatea cinematică, dinamică și relativă a uleiului de motor

Parametrul de bază (absolut) este vâscozitatea dinamică a uleiului. Dacă aplicați o pată de ulei cu o suprafață de 1 cm² pe o suprafață cu netezime calibrată, atunci va fi necesară o anumită forță pentru a o deplasa cu o viteză de 1 cm/s. Raportul dintre această forță și aria spotului determină vâscozitatea dinamică. Această valoare este de obicei calculată pentru diferite temperaturi. Se măsoară în milipascali împărțit la timp în secunde: mPa/s.

Vâscozitatea cinematică a uleiului este legată de densitatea acestuia și depinde direct de temperatura mecanismului în care este utilizat lubrifiantul. Deoarece măsurătorile de certificare se fac în intervalul de temperaturi de funcționare a motorului (de la +40°C la + 100°C), acesta este principalul indicator de performanță al uleiului de motor. Valoarea maximă admisă a temperaturii: + 150°C.

Parametrul este direct legat de valoarea vâscozității dinamice și reprezintă raportul acestuia cu densitatea lichidului. Desigur, măsurarea este efectuată în aceleași condiții de temperatură pentru vâscozitate și densitate absolută. Unitatea de măsură este metru pătrat pe secundă: m²/s.

Vâscozitatea relativă a uleiului de motor este un număr care determină diferența în exces față de vâscozitatea apei distilate. Ambele măsurători se efectuează și la aceeași temperatură: +20°C. Unitatea de măsură pentru vâscozitatea uleiului este gradul Engler (E°). Această metodă de măsurare este auxiliară și nu este determinată pe baza ei. Dar fără această procedură (rezultatele sunt neapărat reflectate în protocoale), este imposibil să obțineți aprobarea din fabrică pentru o anumită marcă de mașini.

Standard internațional pentru vâscozitatea uleiului și tipurile de lubrifianți

Desigur, marcajele de pe recipientele cu lubrifianți nu implică prezența formulelor și unităților de măsură dintr-un manual de fizică. Desemnarea este simplificată și formalizată.

Valorile tipice ale gradelor de vâscozitate conform SAE au fost acceptate de mult timp între toți producătorii de lubrifianți și companiile de automobile. Standardul este valabil pe toate continentele și poate fi găsit pe ambalajele oricărei mărci.

Metoda de determinare a vâscozității produselor petroliere - video

Tehnica de determinare a vâscozității este în mod constant îmbunătățită. Astăzi se utilizează ediția SAE J300, conform căreia toți lubrifianții (pentru motoare) sunt împărțiți în 11 grupe (clase). În același timp, edițiile anterioare sunt compatibile cu altele noi.

Clasificare după sezon de utilizare:

1. Pentru funcționarea pe timp de iarnă se utilizează marcajul pentru determinarea vâscozității la temperatură scăzută W: (SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W).
2. Uleiurile de motor de vară sunt desemnate după cum urmează: (SAE 20, 30, 40, 50, 60).

Deoarece vehiculele se găsesc rar în condiții strict definite, se folosesc în principal așa-numitele uleiuri de motor pentru toate anotimpurile (pot fi minerale, sintetice sau semisintetice). În funcție de condițiile de funcționare, se folosesc marcaje combinate: SAE 0W-30, SAE 15W-40, SAE 20W-50 etc.
O listă aproximativă a dependenței clasificării de temperatură este prezentată în tabel:


Pentru funcționarea normală a motorului, vâscozitatea cinematică a uleiului de motor este determinată de două valori. Prima cifră indică faptul că motorul este supus condițiilor de funcționare de iarnă.

Un lubrifiant selectat corespunzător ar trebui să asigure o pornire la rece a motorului la o anumită temperatură. Adică, în practică se folosesc aceiași indicatori ai debitului de ulei care sunt determinați în laboratoare la diferite temperaturi. Dacă completați un lichid cu o valoare SAE greșită, arborele cotit este posibil să nu se rotească la o temperatură complet normală de -25°C.

Dacă indicatorul de vâscozitate pentru funcționarea de vară (a doua cifră) nu corespunde temperaturii ambientale, pata de ulei nu va rămâne în zona de contact a pieselor în mișcare și vom obține efectul de „frecare uscată”.

Și în cel mai critic caz, lubrifiantul poate ajunge la punctul de fierbere. Apoi, caracteristicile se degradează rapid și, în loc de un fluid tehnic avansat tehnologic, va exista un amestec de fracții individuale în carter. Nu este departe de o revizie majoră.

Metode de măsurare a vâscozității cinetice a uleiului

1. Vâscozitate la temperatură scăzută - capacitatea de a fi pompat prin sistemul de conducte de ulei după ce motorul este pornit. Determinat conform metodelor universale (pentru toți participanții la clasificarea SAE) ASTM D 4684 și ASTM D 5293 În condiții de banc, sunt simulate o pornire la rece a motorului și trecerea fluidului tehnic prin tuburi calibrate. Se poate folosi un vâscozimetru rotativ, dar nu ia în considerare forțele de tensiune superficială. În acest caz, se determină temperatura minimă posibilă la care se mențin valorile de vâscozitate declarate. În plus, este verificată capacitatea fluidului de a trece în mod fiabil prin filtrul de ulei. Forța de presiune a pompei este suficientă pentru a sparge membrana cu ulei îngroșat. Metodologia de testare este adoptată de standardul GM 9099 P.
2. Vâscozitatea la temperatură ridicată este evaluată pe probe din același lot. Caracteristicile cinematice sunt verificate folosind un viscozimetru capilar la o temperatură tipică caldă a motorului: 100°C. Metoda se numește ASTM D 445. Lichidul este apoi încălzit la o temperatură de 150°C. Acestea sunt valorile de vârf atunci când uleiul atinge partea inferioară fierbinte a pistonului. În acest interval, viteza de forfecare (unul dintre indicatorii vâscozității cinematice) nu trebuie să depășească standardul stabilit. Limita superioară este evaluată folosind ASTM D 4683 sau ASTM D 4741.

Există, de asemenea, o evaluare a stabilității la forfecare sub influența simultană a temperaturii și a mecanicii. Testul se efectuează pe un injector calibrat special pentru 10 ore de lucru simulate.

În plus, pentru a respecta pe deplin toleranța, orice producător auto poate oferi propriul test, care simulează situațiile de temperatură și sarcină tipice pentru un anumit motor.

Și dacă un producător de lubrifianți dorește să obțină un certificat suplimentar, el este obligat să treacă la toate testele. Acest lucru implică anumite costuri, dar deschide calea către noi piețe și consumatori.

Cele mai reușite teste sunt luate în considerare la alegerea unui furnizor OEM de consumabile.

Concluzie

Atunci când alegeți un lubrifiant, nu este necesar să vă amintiți (sau să aveți la îndemână) toate formulele sau metodele enumerate în material. Citiți doar datele de vâscozitate din fabrică conform standardului SAE de pe etichetă și găsiți-vă mașina în lista de toleranțe. Sub aceste combinații de simboluri și numere, se ascund rapoarte de mai multe pagini despre testele efectuate.

Cum să alegi un ulei pe baza vâscozității sale - video

Opțiunea ideală pentru selectarea uleiului este să aflați ce marcă are un acord OEM pentru furnizarea de consumabile de la producătorul dumneavoastră de automobile. În acest caz, veți fi absolut sigur că vâscozitatea cinematică a uleiului de motor se potrivește cu motorul dumneavoastră.

VISCOZITATEA, proprietatea unui lichid (sau gaz) de a rezista curgerii.

Vâscozitatea este, de asemenea, considerată ca fiind unul dintre fenomenele de transfer care determină disiparea energiei în timpul deformării mediului. Vâscozitatea solidelor are o serie de caracteristici și este de obicei considerată separat (vezi Frecare internă).

În timpul mișcării laminare a unui lichid între două plăci plan-paralele, dintre care una este staționară și cealaltă se mișcă cu viteza ν, stratul molecular imediat adiacent plăcii inferioare rămâne staționar, iar stratul adiacent plăcii superioare se va deplasa la maxim. viteza (fig.) . Curgerea unui lichid este caracterizată printr-un gradient de viteză γ? = dv/dz, indicând viteza de schimbare de la strat la strat în direcția perpendiculară pe mișcarea lichidului. Dacă viteza se modifică liniar, atunci γ?= v/d, unde d este distanța dintre plăci. Mărimea γ se mai numește și viteză de forfecare.

Conform legii fundamentale a curgerii vâscoase stabilită de I. Newton (publicată în 1687), efortul de forfecare τ = F/S care determină curgerea fluidului este proporțional cu gradientul vitezei curgerii: τ = ηγ?. Coeficientul de proporționalitate η se numește coeficient de vâscozitate dinamică sau pur și simplu vâscozitate. Caracterizează rezistența fluidului la curgere. Vâscozitatea poate fi considerată și ca o măsură a energiei disipate sub formă de căldură pe măsură ce curge un fluid. Disiparea energiei are loc datorită transferului de impuls. Valorile coeficientului de vâscozitate și puterea W disipată pe unitate de volum datorită vâscozității sunt legate de relația: W = ηγ? 2.

Relația stabilită de Newton este valabilă numai în cazul în care η nu depinde de viteza de forfecare. Mijloacele în care această condiție este îndeplinită sunt numite newtoniene (vezi fluid newtonian).

Unitatea SI a vâscozității dinamice este Pa s [în CGS este poise (dyne s/cm2): 1 poise = 0,1 Pa s]. Valoarea φ= 1/η, reciproca vâscozității, se numește fluiditate. De asemenea, se ia în considerare adesea vâscozitatea cinematică ν = η/ρ (unde ρ este densitatea substanței), măsurată în m 2 / s (SI) și Stokes (GHS). Vâscozitatea lichidelor și gazelor este măsurată cu ajutorul vâscozimetrelor (vezi Vâscometrie).

Vâscozitatea gazelor ideale este determinată de relația: η = (1/3)mn??, unde m este masa moleculei, n este numărul de molecule pe unitate de volum, ? - viteza medie a moleculelor, ? este calea liberă a moleculei.

Vâscozitatea gazelor crește la încălzire, în timp ce vâscozitatea lichidelor, dimpotrivă, scade. Acest lucru se datorează mecanismelor moleculare diferite de vâscozitate în aceste sisteme. Există două mecanisme de transfer de impuls: cinetic (care nu implică ciocniri între molecule) și colizional. Primul este predominant în gazul rarefiat, al doilea - în gazul dens și lichidul.

În gaze, distanțele dintre molecule sunt semnificativ mai mari decât raza de acțiune a forțelor moleculare, prin urmare vâscozitatea gazelor este o consecință a mișcării haotice (termice) a moleculelor, ca urmare a căreia moleculele se deplasează de la strat la strat, încetinind. jos fluxul. Din moment ce viteza medie a moleculelor? crește odată cu creșterea temperaturii, vâscozitatea gazelor crește la încălzire.

Vâscozitatea lichidelor, unde distanța dintre molecule este mult mai mică decât în ​​gaze, se datorează în primul rând interacțiunilor intermoleculare care limitează mobilitatea moleculelor. Pe măsură ce temperatura crește, mișcarea reciprocă a moleculelor devine mai ușoară, interacțiunile intermoleculare slăbesc și, în consecință, frecarea internă a lichidului scade.

Vâscozitatea unui lichid este determinată de mărimea și forma moleculelor, aranjarea lor reciprocă și puterea interacțiunilor intermoleculare. Vâscozitatea depinde de structura chimică a moleculelor lichide. Astfel, vâscozitatea substanțelor organice crește odată cu introducerea în moleculă a grupărilor polare și a inelelor. În serii omoloage (hidrocarburi saturate, alcooli, acizi organici etc.), vâscozitatea compușilor crește odată cu creșterea greutății moleculare.

Vâscozitatea soluțiilor depinde de concentrația lor și poate fi fie mai mare, fie mai mică decât vâscozitatea unui solvent pur. Vâscozitatea suspensiilor extrem de diluate depinde liniar de fracția volumică φ a particulelor în suspensie: η = η 0 (1 + αφ) (formula Einstein), unde η 0 este vâscozitatea mediului de dispersie. Coeficientul α depinde de forma particulelor; în special, pentru particulele sferice α = 2,5. O dependență similară a vâscozității de fracția de volum este observată în soluțiile de proteine ​​globulare.

Vâscozitatea poate varia în limite largi. Următoarele sunt valorile vâscozității unor lichide și gaze la o temperatură de 20°C (în 10 -3 Pa s): gaze - hidrogen 0,0088, azot 0,0175, oxigen 0,0202; lichide - apa 1.002, alcool etilic 1.200, mercur 1.554, nitrobenzen 2.030, glicerina 1.485.

Heliul lichid are cea mai scăzută vâscozitate. La o temperatură de 2,172 K intră într-o stare superfluid, în care vâscozitatea este zero (vezi Superfluiditate). Vâscozitatea gazelor este de sute de ori mai mică decât vâscozitatea lichidelor obișnuite. Vâscozitatea metalelor topite este apropiată, în ordinea mărimii, de vâscozitatea lichidelor obișnuite.

Soluțiile polimerice și topiturile au vâscozitate ridicată. Vâscozitatea soluțiilor polimerice chiar diluate este semnificativ mai mare decât vâscozitatea compușilor cu greutate moleculară mică. Acest lucru se datorează faptului că dimensiunile macromoleculelor polimerice sunt atât de mari încât secțiuni diferite ale aceleiași macromolecule ajung în straturi care se mișcă la viteze diferite, ceea ce determină o rezistență suplimentară la curgere. Vâscozitatea soluțiilor de polimeri mai concentrate devine și mai mare datorită încâlcirii macromoleculelor între ele. Una dintre metodele de estimare a greutății moleculare a polimerilor se bazează pe măsurarea vâscozității soluțiilor.

Prezența în soluțiile polimerice a structurilor spațiale formate prin aderența macromoleculelor duce la apariția așa-numitei vâscozități structurale, care (spre deosebire de viscozitatea lichidelor newtoniene) depinde de efortul de forfecare (sau viteza) (vezi Reologie). Când curge un fluid structurat, munca forțelor externe este cheltuită nu numai pentru depășirea frecării interne, ci și pentru distrugerea structurii.

Lit.: Landau L.D., Akhiezer A.I., Lifshits E.M. Curs de fizică generală. Mecanica si fizica moleculara. a 2-a ed. M., 1969; Filippova O. E., Khokhlov A. R. Viscozitatea soluțiilor polimerice diluate. M., 2002; Schramm G. Fundamentele reologiei practice și reometriei. M., 2003.

Lichidul este definit ca un corp fizic capabil să-și schimbe forma cu orice influență mică asupra sa. Există de obicei două tipuri principale de lichide: picături și gazoase. Lichidele de picurare sunt lichide în sensul obișnuit: apă, kerosen, petrol, ulei și așa mai departe. Lichidele gazoase sunt gaze care în condiții normale sunt, de exemplu, substanțe gazoase precum aerul, azotul, propanul, oxigenul.

Aceste substanțe diferă în structura moleculară și tipul de interacțiune dintre molecule. Cu toate acestea, din punct de vedere mecanic, sunt medii continue. Și din această cauză, pentru ei sunt definite câteva caracteristici mecanice generale: densitatea și greutatea specifică; precum și compresibilitatea de bază, rezistența la tracțiune, rezistența și vâscozitatea.

Vâscozitatea este înțeleasă ca proprietatea de a rezista la alunecare sau forfecare a straturilor sale unul față de celălalt. Esența acestui concept este apariția între diferite straturi din interiorul unui lichid în timpul mișcării lor relative. Se face o distincție între conceptele de „vâscozitate dinamică a unui lichid” și „vâscozitatea lui cinetică”. În continuare, vom analiza mai detaliat care este diferența dintre aceste concepte.

Concepte de bază și dimensiuni

Forța de frecare internă F care apare între straturile adiacente ale unui fluid generalizat care se mișcă unul față de celălalt este direct proporțională cu viteza de mișcare a straturilor și cu aria de contact a acestora S. Această forță acționează în direcția perpendiculară pe mișcare. și este exprimată analitic prin ecuația lui Newton

F=μS (∆V)/ (∆n),

unde (∆V)/ (∆n)=GV este gradientul de viteză în direcția normalei la straturile în mișcare.

Coeficientul de proporționalitate μ este vâscozitatea dinamică sau pur și simplu vâscozitatea unui fluid generalizat. Din ecuația lui Newton este egal cu

Într-un sistem de măsurare fizică, o unitate de vâscozitate este definită ca vâscozitatea unui mediu în care, cu un gradient de viteză unitar GV = 1 cm/sec, o forță de frecare de 1 dină acționează asupra fiecărui centimetru pătrat al stratului. În consecință, dimensiunea unității în acest sistem este exprimată în dyn∙sec∙cm^(-2) = g∙cm^(-1)∙sec^(-1).

Această unitate de vâscozitate dinamică se numește echilibru (P).

1 P = 0,1 Pa∙s = 0,0102 kgf∙s∙m^(-2) .

Se folosesc și unități mai mici și anume: 1 P = 100 cP (centipoise) = 1000 mP (milipoise) = 1.000.000 μP (micropoise). În sistemul tehnic, unitatea de vâscozitate este considerată kgf∙s∙m^(-2).

În sistemul internațional, o unitate de vâscozitate este definită ca vâscozitatea unui mediu în care, la un gradient de viteză unitar GV = 1 m/s pe 1 m, o forță de frecare de 1 N (newton) acţionează asupra fiecărui metru pătrat de stratul lichid. Dimensiunea valorii μ se exprimă în kg∙m^(-1)∙s^(-1).

Pe lângă o astfel de caracteristică precum vâscozitatea dinamică, conceptul de vâscozitate cinematică este introdus pentru lichide ca raport dintre coeficientul μ și densitatea lichidului. Valoarea coeficientului de vâscozitate cinematică se măsoară în Stokes (1st = 1 cm^(2)/s).

Coeficientul de vâscozitate este numeric egal cu cantitatea de mișcare transferată într-un gaz în mișcare pe unitatea de timp în direcția perpendiculară pe mișcarea printr-o unitate de suprafață, atunci când viteza de mișcare diferă cu o unitate de viteză în straturi de gaz separate de o unitate de lungime . Coeficientul de vâscozitate depinde de tipul și starea substanței (temperatură și presiune).

Vâscozitatea dinamică și vâscozitatea cinematică a lichidelor și gazelor sunt foarte dependente de temperatură. Se observă că ambii acești coeficienți scad odată cu creșterea temperaturii pentru lichidele cu picături și, dimpotrivă, cresc cu creșterea temperaturii pentru gaze. Diferența în această dependență poate fi explicată prin natura fizică a interacțiunii moleculelor din lichidele și gazele picături.

Sensul fizic

Din punctul de vedere al teoriei cinetice moleculare, fenomenul de vâscozitate pentru gaze constă în faptul că într-un mediu în mișcare, datorită mișcării haotice a moleculelor, vitezele diferitelor straturi sunt egalizate. Deci, dacă primul strat se mișcă într-o anumită direcție mai repede decât al doilea strat adiacent acestuia, atunci moleculele mai rapide se deplasează de la primul strat la al doilea și invers.

Prin urmare, primul strat tinde să accelereze mișcarea celui de-al doilea strat, iar al doilea tinde să încetinească mișcarea primului. Astfel, cantitatea totală de mișcare a primului strat va scădea, iar al doilea va crește. Modificarea impulsului rezultată este caracterizată de coeficientul de vâscozitate pentru gaze.

În lichidele cu picături, spre deosebire de gaze, frecarea internă este determinată în mare măsură de acțiunea forțelor intermoleculare. Și, deoarece distanțele dintre moleculele unei picături de lichid sunt mici în comparație cu mediile gazoase, forțele de interacțiune dintre molecule sunt semnificative. Moleculele lichide, ca și moleculele solide, vibrează în apropierea pozițiilor de echilibru. Cu toate acestea, în lichide aceste poziții nu sunt staționare. După o anumită perioadă de timp, molecula lichidă se mută brusc într-o nouă poziție. În acest caz, timpul în care poziția unei molecule într-un lichid nu se schimbă se numește timpul său de „viață stabilită”.

Forțele interacțiunii intermoleculare depind în mod semnificativ de tipul de lichid. Dacă vâscozitatea unei substanțe este scăzută, atunci se numește „fluid”, deoarece coeficientul de fluiditate și vâscozitatea dinamică a lichidului sunt cantități invers proporționale. În schimb, substanțele cu un coeficient de vâscozitate ridicat pot avea duritate mecanică, cum ar fi rășina. Vâscozitatea substanței depinde în mod semnificativ atât de compoziția impurităților și de cantitatea acestora, cât și de temperatură. Pe măsură ce temperatura crește, timpul de „viață stabilită” scade, drept urmare mobilitatea lichidului crește și vâscozitatea substanței scade.

Fenomenul de vâscozitate, ca și alte fenomene de transfer molecular (difuzie și conductivitate termică), duce la atingerea unei stări de echilibru corespunzătoare unui maxim de entropie și unui minim de energie liberă.

Coeficientul de vâscozitate este un parametru cheie al fluidului sau gazului de lucru. În termeni fizici, vâscozitatea poate fi definită ca frecare internă cauzată de mișcarea particulelor care alcătuiesc masa unui mediu lichid (gazos) sau, mai simplu, rezistența la mișcare.

Ce este vâscozitatea

Cel mai simplu mod de a determina vâscozitatea este să turnați simultan cantități egale de apă și ulei pe o suprafață netedă înclinată. Apa se scurge mai repede decât uleiul. E mai fluid. Uleiul în mișcare este împiedicat să se scurgă rapid prin frecare mai mare între moleculele sale (rezistență internă - vâscozitate). Astfel, vâscozitatea unui lichid este invers proporțională cu fluiditatea acestuia.

Coeficient de vâscozitate: formulă

Într-o formă simplificată, procesul de mișcare a unui fluid vâscos într-o conductă poate fi considerat sub forma unor straturi paralele plate A și B cu aceeași suprafață S, distanța dintre care este h.

Aceste două straturi (A și B) se mișcă cu viteze diferite (V și V+ΔV). Stratul A, care are cea mai mare viteză (V+ΔV), implică în mișcare stratul B, care se deplasează cu o viteză mai mică (V). În același timp, stratul B tinde să încetinească viteza stratului A. Sensul fizic al coeficientului de vâscozitate este că frecarea moleculelor, care reprezintă rezistența straturilor de curgere, formează o forță, care este descrisă de următoarea formulă:

F = µ × S × (ΔV/h)

• ΔV este diferența de viteză de mișcare a straturilor de curgere a fluidului;
• h este distanța dintre straturile fluxului de fluid;
• S este aria suprafeței stratului de curgere a fluidului;
• μ (mu) - un coeficient în funcție de se numește vâscozitate dinamică absolută.

În unitățile SI, formula este următoarea:

µ = (F × h) / (S × ΔV) = [Pa × s] (Pascal × secundă)

Aici F este forța gravitațională a volumului fluidului de lucru.

Valoarea vâscozității

În cele mai multe cazuri, coeficientul este măsurat în centipoise (cP) în conformitate cu sistemul de unități CGS (centimetru, gram, secundă). În practică, vâscozitatea este legată de raportul dintre masa lichidului și volumul său, adică de densitatea lichidului:

• ρ - densitatea fluidului;
• m este masa lichidului;
• V este volumul lichidului.

Relația dintre vâscozitatea dinamică (μ) și densitate (ρ) se numește vâscozitate cinematică ν (ν - în greacă - nu):

ν = μ / ρ = [m 2 /s]

Apropo, metodele de determinare a coeficientului de vâscozitate sunt diferite. De exemplu, vâscozitatea cinematică este încă măsurată în conformitate cu sistemul CGS în centistokes (cSt) și în valori fracționale - stokes (St):

• 1St = 10 -4 m 2 /s = 1 cm 2 /s;
• 1cSt = 10 -6 m 2 /s = 1 mm 2 /s.

Determinarea vâscozității apei

Coeficientul de vâscozitate al apei se determină prin măsurarea timpului de curgere a lichidului printr-un tub capilar calibrat. Acest dispozitiv este calibrat folosind un fluid standard de vâscozitate cunoscută. Pentru a determina vâscozitatea cinematică, măsurată în mm 2 /s, timpul de curgere a fluidului, măsurat în secunde, se înmulțește cu o valoare constantă.

Vâscozitatea apei distilate este utilizată ca unitate de comparație, a cărei valoare este aproape constantă chiar și cu schimbări de temperatură. Coeficientul de vâscozitate este raportul dintre timpul în secunde necesar pentru ca un volum fix de apă distilată să curgă dintr-un orificiu calibrat la aceeași valoare pentru lichidul de testare.

Viscozimetre

Vâscozitatea este măsurată în grade Angler (°E), secunde universale Saybolt („SUS”) sau grade Redwood (°RJ), în funcție de tipul de vâscozimetru utilizat.

Vâscozimetrul, care măsoară vâscozitatea în unitatea europeană de grad Engler (°E), este proiectat pentru 200 cm 3 de lichid care curge. Un viscozimetru care măsoară vâscozitatea în Saybolt Universal Seconds ("SUS" sau "SSU") utilizat în SUA conține 60 cm 3 din fluidul de testare. În Anglia, unde se folosesc grade Redwood (°RJ), un viscozimetru măsoară vâscozitatea a 50 cm 3 de lichid. De exemplu, dacă 200 cm 3 dintr-un anumit ulei curge de zece ori mai lent decât același volum de apă, atunci vâscozitatea Engler este de 10 ° E.

Deoarece temperatura este un factor cheie în modificarea coeficientului de vâscozitate, măsurătorile sunt de obicei efectuate mai întâi la o temperatură constantă de 20°C și apoi la valori mai mari. Rezultatul este astfel exprimat prin adăugarea temperaturii adecvate, de exemplu: 10°E/50°C sau 2,8°E/90°C. Vâscozitatea unui lichid la 20°C este mai mare decât vâscozitatea acestuia la temperaturi mai ridicate. Uleiurile hidraulice au următoarele viscozități la temperaturi corespunzătoare:

190 cSt la 20°C = 45,4 cSt la 50°C = 11,3 cSt la 100°C.

Traducerea valorilor

Determinarea coeficientului de vâscozitate are loc în diferite sisteme (american, englez, GHS) și, prin urmare, este adesea necesară convertirea datelor de la un sistem de măsurare la altul. Pentru a converti valorile vâscozității fluidului exprimate în grade Engler în centistokes (mm 2 /s), utilizați următoarea formulă empirică:

ν(cSt) = 7,6 × °E × (1-1/°E3)

De exemplu:

• 2°E = 7,6 × 2 × (1-1/23) = 15,2 × (0,875) = 13,3 cSt;
• 9°E = 7,6 × 9 × (1-1/93) = 68,4 × (0,9986) = 68,3 cSt.

Pentru a determina rapid vâscozitatea standard a uleiului hidraulic, formula poate fi simplificată după cum urmează:

ν(cSt) = 7,6 × °E(mm 2 /s)

Având o vâscozitate cinematică ν în mm 2 /s sau cSt, o puteți converti într-un coeficient de vâscozitate dinamică μ folosind următoarea relație:

Exemplu. Rezumând diferitele formule de conversie a gradelor Engler (°E), centistokes (cSt) și centipoise (cP), presupunem că uleiul hidraulic cu o densitate ρ = 910 kg/m 3 are o vâscozitate cinematică de 12°E, care în cSt. unități este:

ν = 7,6 × 12 × (1-1/123) = 91,2 × (0,99) = 90,3 mm 2 /s.

Deoarece 1cSt = 10 -6 m 2 /s și 1cP = 10 -3 N×s/m 2, vâscozitatea dinamică va fi egală cu:

μ =ν × ρ = 90,3 × 10 -6 910 = 0,082 N×s/m 2 = 82 cP.

Coeficientul de viscozitate a gazului

Este determinată de compoziția (chimică, mecanică) a gazului, temperatura de funcționare, presiunea și este utilizată în calculele dinamice ale gazului legate de mișcarea gazului. În practică, vâscozitatea gazelor este luată în considerare la proiectarea dezvoltării zăcămintelor de gaze, unde modificările coeficientului sunt calculate în funcție de modificările compoziției gazului (relevante în special pentru zăcămintele de condens de gaz), temperatură și presiune.

Să calculăm coeficientul de vâscozitate a aerului. Procesele vor fi similare cu cele două fluxuri de apă discutate mai sus. Să presupunem că două fluxuri de gaz U1 și U2 se mișcă în paralel, dar cu viteze diferite. Convecția (penetrarea reciprocă) a moleculelor va avea loc între straturi. Ca urmare, impulsul fluxului de aer care se mișcă mai rapid va scădea, iar aerul care se mișcă inițial mai lent se va accelera.

Coeficientul de vâscozitate a aerului, conform legii lui Newton, se exprimă prin următoarea formulă:

F =-h × (dU/dZ) × S

• dU/dZ este gradientul de viteză;
• S este aria de influență a forței;
• Coeficientul h - vâscozitate dinamică.

Indicele de vâscozitate

Indicele de vâscozitate (VI) este un parametru care corelează schimbările de vâscozitate și temperatură. Dependența de corelație este o relație statistică, în acest caz a două mărimi, în care o modificare a temperaturii este însoțită de o modificare sistematică a vâscozității. Cu cât indicele de vâscozitate este mai mare, cu atât variația dintre cele două valori este mai mică, adică vâscozitatea fluidului de lucru este mai stabilă la schimbările de temperatură.

Vâscozitatea uleiului

Bazele uleiurilor moderne au un indice de vâscozitate sub 95-100 de unități. Prin urmare, sistemele hidraulice ale mașinilor și echipamentelor pot utiliza fluide de lucru destul de stabile, care limitează schimbările mari de vâscozitate în condiții critice de temperatură.

Un indice de vâscozitate „favorabil” poate fi menținut prin introducerea de aditivi speciali (polimeri) în ulei, obținuți prin Ele măresc indicele de vâscozitate al uleiurilor prin limitarea modificării acestei caracteristici într-un interval acceptabil. În practică, odată cu introducerea cantității necesare de aditivi, indicele de vâscozitate scăzut al uleiului de bază poate fi crescut la 100-105 unități. În același timp, amestecul obținut în acest fel își deteriorează proprietățile la presiune ridicată și sarcină termică, reducând astfel eficacitatea aditivului.

În circuitele de putere ale sistemelor hidraulice puternice, trebuie utilizate fluide de lucru cu un indice de vâscozitate de 100 de unități. Fluidele de lucru cu aditivi care măresc indicele de vâscozitate sunt utilizate în circuitele de control hidraulic și alte sisteme care funcționează în intervalul de presiune joasă/medie, într-un interval de temperatură limitat, cu scurgeri mici și în regim intermitent. Pe măsură ce presiunea crește, crește și vâscozitatea, dar acest proces are loc la presiuni de peste 30,0 MPa (300 bar). În practică, acest factor este adesea neglijat.

Măsurare și indexare

În conformitate cu standardele internaționale ISO, coeficientul de vâscozitate al apei (și al altor medii lichide) este exprimat în centistokes: cSt (mm 2 /s). Măsurătorile de vâscozitate ale uleiurilor de proces trebuie efectuate la temperaturi de 0°C, 40°C și 100°C. În orice caz, în codul mărcii uleiului, vâscozitatea trebuie indicată ca număr la o temperatură de 40°C. În GOST, valoarea vâscozității este dată la 50°C. Calitățile cele mai utilizate în hidraulica mecanică variază de la ISO VG 22 la ISO VG 68.

Uleiurile hidraulice VG 22, VG ​​32, VG ​​46, VG 68, VG 100 la o temperatură de 40°C au valori de vâscozitate corespunzătoare marcajelor lor: 22, 32, 46, 68 și 100 cSt. Vâscozitatea cinematică optimă a fluidului de lucru în sistemele hidraulice se află în intervalul de la 16 la 36 cSt.

Societatea Americană a Inginerilor Auto (SAE) a stabilit intervale de vâscozitate la anumite temperaturi și le-a atribuit codurile corespunzătoare. Numărul care urmează după litera W este coeficientul de vâscozitate dinamică absolut μ la 0°F (-17,7°C), iar vâscozitatea cinematică ν a fost determinată la 212°F (100°C). Această indexare se aplică uleiurilor pentru toate anotimpurile utilizate în industria auto (transmisie, motor etc.).

Influența vâscozității asupra performanței hidraulice

Determinarea coeficientului de vâscozitate al unui lichid nu este doar de interes științific și educațional, ci are și o importanță practică importantă. În sistemele hidraulice, fluidele de lucru nu numai că transferă energie de la pompă la motoarele hidraulice, dar și lubrifiază toate părțile componentelor și elimină căldura generată de perechile de frecare. O vâscozitate a fluidului de lucru care nu corespunde modului de funcționare poate afecta grav eficiența întregului sistem hidraulic.

Viscozitatea ridicată a fluidului de lucru (ulei cu densitate foarte mare) duce la următoarele fenomene negative:

• Rezistența crescută la curgerea fluidului hidraulic determină o cădere excesivă de presiune în sistemul hidraulic.
• Încetinirea vitezei de control și a mișcărilor mecanice ale actuatoarelor.
• Dezvoltarea cavitației în pompă.
• Eliberare de aer zero sau prea mică din uleiul din rezervorul hidraulic.
• O pierdere vizibilă a puterii (scăderea eficienței) a sistemului hidraulic din cauza costurilor mari de energie pentru a depăși frecarea internă a fluidului.
• Cuplul crescut al motorului principal al unei mașini, cauzat de creșterea sarcinii asupra pompei.
• O creștere a temperaturii fluidului hidraulic cauzată de frecare crescută.

Astfel, semnificația fizică a coeficientului de vâscozitate constă în influența sa (pozitivă sau negativă) asupra componentelor și mecanismelor vehiculelor, mașinilor și echipamentelor.

Pierderea puterii hidraulice

Viscozitatea scăzută a fluidului de lucru (ulei cu densitate scăzută) duce la următoarele fenomene negative:

• Scăderea eficienței volumetrice a pompelor ca urmare a creșterii scurgerilor interne.
• O creștere a scurgerilor interne la componentele hidraulice ale întregului sistem hidraulic - pompe, supape, supape hidraulice, motoare hidraulice.
• Uzura crescută a unităților de pompare și blocarea pompelor din cauza vâscozității insuficiente a fluidului de lucru necesar pentru a asigura lubrifierea pieselor de frecare.

Compresibilitatea

Orice lichid este comprimat sub presiune. În ceea ce privește uleiurile și lichidele de răcire utilizate în hidraulica mecanică, s-a stabilit empiric că procesul de comprimare este invers proporțional cu masa lichidului pe volumul acestuia. Raportul de compresie este mai mare pentru uleiurile minerale, mult mai mic pentru apă și mult mai mic pentru fluidele sintetice.

În sistemele hidraulice simple de joasă presiune, compresibilitatea fluidului are un efect neglijabil asupra reducerii volumului inițial. Dar la mașinile puternice cu acții hidraulice de înaltă presiune și cilindri hidraulici mari, acest proces se manifestă în mod vizibil. Pentru cele hidraulice, la o presiune de 10,0 MPa (100 bar), volumul scade cu 0,7%. În același timp, modificarea volumului de compresie este influențată într-o mică măsură de vâscozitatea cinematică și tipul de ulei.

Concluzie

Determinarea coeficientului de vâscozitate face posibilă prezicerea funcționării echipamentelor și mecanismelor în diferite condiții, ținând cont de modificările compoziției lichidului sau gazului, presiunii și temperaturii. De asemenea, monitorizarea acestor indicatori este relevantă în sectorul petrolului și gazelor, al utilităților și al altor industrii.

Viscozitate numită capacitatea lichidelor de a rezista forțelor tangențiale la suprafața unui volum selectat, adică forțe tăietoare.

Lăsați lichidul să curgă de-a lungul unui perete plat (Figura 1) în straturi. Datorită frânării de pe perete, straturile de lichid se vor deplasa cu viteze diferite, ale căror valori cresc cu distanța față de perete.

Luați în considerare două straturi care se mișcă la distanță
unul de altul. Datorită diferenței de viteză, stratul B se deplasează în raport cu stratul A cu o cantitate
pe unitatea de timp. Magnitudinea
deplasarea absolută a stratului B asupra stratului A și – gradient de viteză (forfecare relativă sau viteză de deformare). Tensiunea de forfecare

Figura - 1

(10)

sau dacă straturile sunt infinit aproape unul de celălalt, atunci obținem legea frecării vâscoase a lui Newton

(11)

Magnitudinea , care caracterizează rezistența fluidului la forfecare tangențială, se numește coeficient de vâscozitate dinamică. În funcție de alegerea direcției de numărare a distanțelor de-a lungul normalului (de la peretele conductei în cauză sau de la axa acesteia), gradientul de viteză poate fi pozitiv sau negativ. Semn în formula (11) se ia astfel încât efortul de forfecare este pozitiv.

Forța de frecare internă într-un lichid

(12)

adică este direct proporțional cu coeficientul de vâscozitate dinamică, aria straturilor de frecare
și gradient de viteză.

În sistemul SI, coeficientul de vâscozitate dinamică are dimensiunea . În sistemul GHS, se ia unitatea coeficientului de vâscozitate dinamică echilibru (Pz). Dimensiune echilibru–
Prin urmare,
sau

Cel mai adesea în calcule aplica cinematic coeficient de vâscozitate,

. (13)

Acest coeficient a primit denumirea de „cinematic” datorită faptului că dimensiunea sa include unități de măsură numai ale parametrilor cinematici și nu include unități de forță

În sistemul SI, coeficientul de vâscozitate cinematică este măsurat în (m 2 / s), în sistemul GHS - cm 2 / s sau Stokes(Sf). O valoare de 100 de ori mai mică Stokes, numit centistokes.

În practică, împreună cu unitățile menționate de măsură a vâscozității lichidului, se folosesc condiţionalGrad de pescar(0 E), determinată de unul dintre instrumentele de măsurare a vâscozității - viscozimetrul Engler.

Sub gradul conventional Englerînțelegeți relația cu timpul de expirare
m 3 (200 cm 3) de lichid de testare, la o temperatură dată dintr-un vas cilindric de alamă cu fund conic printr-un orificiu calibrat cu diametrul de 2,8 mm, până la momentul curgerii din același vas
m 3 de apă distilată la o temperatură de 20 0 C.

Pe baza valorii cunoscute a vâscozității în grade conventionale Engler, coeficientul de vâscozitate cinematică, , determinat de formula

. (14)

Vâscozitatea lichidelor depinde în mare măsură de temperatură. În acest caz, vâscozitatea lichidelor în picături scade odată cu creșterea temperaturii (Tabelul 2), iar vâscozitatea gazelor crește. Acest lucru se explică prin faptul că natura vâscozității lichidelor și gazelor picăturilor este diferită. În gaze, viteza medie a mișcării termice și calea liberă a moleculelor crește odată cu creșterea temperaturii, ceea ce duce la o creștere a vâscozității. În lichidele cu picături, moleculele pot oscila doar în jurul unei poziții medii. Pe măsură ce temperatura crește, viteza mișcărilor vibraționale a moleculelor crește. Acest lucru face mai ușor depășirea legăturilor care le țin, iar lichidul devine mai mobil și mai puțin vâscos.

Tabelul 2 - Coeficientul de vâscozitate cinematică a apei la diferite temperaturi

Coeficientul cinematic de vâscozitate al lichidelor în picături la presiune
depinde slab de presiune. Tabelul 3 prezintă valorile coeficientului de vâscozitate cinematică pentru unele lichide.

Tabelul 3 - Coeficientul de vâscozitate cinematică pentru unele lichide

Coeficientul de vâscozitate cinematică al gazelor scade odată cu creșterea presiunii.