Вязкость

Вязкость

ВЯЗКОСТЬ - внутреннее трение, проявляющееся при наличии относительного движения соседних слоев жидкости или газа и зависящее от сил сцепления между молекулами. Если через s обозначить площадь соприкосновения двух параллельных перемещающихся слоев, а через v - скорость перемещения слоя, то сила f взаимодействия между слоями выразится формулой:

Vjazkost 1

здесь Vjazkost 2 есть градиент скорости в направлении, перпендикулярном плоскости s, а η есть вязкость, или коэффициент внутреннего трения.

Единицы измерения. Из определения вязкости вытекает ее размерность:

Из определения вязкости вытекает ее размерность

Эта абсолютная единица вязкости называется пуазом. Обычно применяют величину в 100 раз меньшую - центипуаз, что особенно удобно для измерительных целей, так как ему равна абсолютная вязкость воды при 20,5°. Для некоторых веществ (применяемых при калибровании) абсолютные вязкости при давлении 760 мм - таковы:

Для некоторых веществ (применяемых при калибровании) абсолютные вязкости при давлении 760 мм

Из жидкостей при 15° одной из наименьших наблюденных вязкостей обладает жидкая СО2 (в критическом состоянии в 50 раз меньше вязкости воды); весьма большой вязкостью обладают касторовое масло и глицерин: при 2,8° вязкость последнего в 2500 раз больше вязкости воды при той же температуре. Еще выше вязкость крепких растворов сахара в глицерине (в 100000 раз больше вязкости воды) и вязкость расплавленного стекла.

Величина, обратная абсолютной вязкости, называется текучестью (нем. Fluiditat) и обозначается через ϕ; ϕ = 1/η. Эрк предлагает абсолютную вязкость называть динамической, в отличие от т. н. кинематической. Последняя получается делением абсолютной вязкости тела на его удельный вес D и обозначается через ν или Vk, причем Vk = 100ν и выражается в кинематических центипуазах. Ее размерность: см2/сек. Т. о. Vk = η/D. Удельная вязкость представляет собой отношение вязкости измеряемой жидкости к вязкости воды при 0°:

Удельная вязкость представляет собой отношение вязкости измеряемой жидкости к вязкости воды при 0°

Все эти единицы вязкости находят применение почти исключительно при научных исследованиях, и только удельной вязкостью пользуются иногда в технике. На практике чаще всего применяют условные единицы: градусы Энглера, секунды Сейболта или Редвуда или градусы Барбье (см. Вязкость масел), последняя величина, собственно, служит выражением текучести.

Измерение вязкости производится в приборах, называемых вискозиметрами. Устройство их основано на следующих принципах: 1) качание помещенного в жидкость твердого тела, поворачивающегося на прикрепленной к его центру проволоке (способ Кулона); 2) падение твердого тела в вязкой жидкости (способ Джонса, основанный на формуле Стокса); 3) вращение тела в жидкости или вращение жидкости в сосуде (торсионный способ); 4) истечений вязкой жидкости из капиллярных трубок (способ Пуазейля). Последний способ основан на следующем законе Пуазейля: если под давлением (р) из капилляра длиной (I) и радиуса (r) за время (t) протечет объем жидкости (v), то

Vjazkost 6

Для точных измерений употребляют обычно приборы Оствальда или Уббелоде. Применяемые капилляры должны быть строго цилиндричны, с возможно одинаковым диаметром по всей длине. В вискозиметре Оствальда (фиг. 1, А) измеряется время истечения точно измеренного (между метками c и d) объема жидкости под давлением собственного веса.

Вискозиметр Оствальда

Высота ее и, следовательно, давление постепенно меняются; это служит причиной некоторой неточности, так как для жидкостей с разным удельным весом это изменение давлений будет различно. В вискозиметре Уббелоде (фиг. 1, Б) истечение производится посредством определенного давления воздуха; при этом, кроме измерительного шарика b, откуда вытекает жидкость, имеется совершенно одинаковый компенсирующий шарик b', куда жидкость поступает по мере истечения ее из b. Т. о., если в начале давление было Рвозд.жидк., то к концу оно будет Рвозд.—Ржидк., т. е. избыток давления (р) в начале опыта компенсируется недостатком давления, тоже (р), в конце опыта, и давление истечения в среднем будет равно (Р). Технические приборы основаны на измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости в условиях строгого постоянства температуры во время опыта. Все они определяют кинематическую вязкость в условных градусах и м. б. переведены в абсолютную кинематическую вязкость по общей формуле Фогеля, пригодной для всех вискозиметров, в которых истечение происходит под влиянием собственной тяжести жидкости:

Vjazkost 8

где а - константа аппарата, зависящая от размеров капилляра, а τ - отношение времени истечения вязкой жидкости и воды при 20,5°.

Вискозиметр Энглера (фиг. 2) имеет следующее устройство.

Вискозиметр Энглера

Измерительный сосуд (а) - цилиндроконический латунный резервуар с крышкой, в которую вставляется термометр (с) для исследуемой жидкости и штифт (b), закрывающий трубку для истечения (с платиновой обкладкой). Внутри сосуда на стенках - три крючка для установления уровня наполнения сосуда; f - термостатический, также латунный, сосуд с мешалкой d; е - ручка мешалки. Перед началом опыта сосуд (а) и особенно трубка для истечения тщательно промываются и высушиваются, (f) заполняется водой (или маслом - для измерения при 100° и выше), которая доводится до желательной температуры. Измерительный сосуд (а), при закрытом штифтом отверстии, заполняется испытуемой жидкостью до крючков и накрывается крышкой. Когда температура жидкости дошла до необходимой высоты (в термостате температура д. б. на 0,5—3,0° выше, в зависимости от температуры измерения), поднимают штифт b. Жидкость начинает вытекать в подставленную мерную колбу. Одновременно пускают секундомер и останавливают его, когда жидкость в колбе достигнет деления 200 см3.

Универсальный вискозиметр Редвуда (фиг. 3) состоит из измерительного посеребренного латунного сосуда А с отверстием для истечения В, закрываемым шариком палочки С; D - четыре крыла и Е - ручка мешалки, представляющей собой латунный сосуд, вращающийся вокруг измерительного вместе с термометром F; G - водяная баня со спускным краном Н и насадкой для подогрева I.

Универсальный вискозиметр Редвуда

Прибор устанавливается по ватерпасу посредством установочных винтов треножника. При закрытом отверстии В наливается масло, чтобы при температуре опыта, показываемой термометром F1, оно достигло конца крючка К. Операции - те же, что и в приборе Энглера, причем измеряется время истечения 50 см3 жидкости.

Вискозиметр Сейболта (фиг. 4) состоит из бани, снабженной приборами для нагревания (обычно электрической грелкой, газовой горелкой или паровым змеевиком).

Вискозиметр Сейболта

Измерительный сосуд укрепляется в крышке, которую для перемешивания можно поворачивать в бане посредством рычагов. Измерительный сосуд (а) представляет цилиндр; уровень жидкости в нем устанавливается автоматически, так как он снабжен закраинами, куда переливается избыток жидкости. Перед наполнением нижнее отверстие закрывается пробкой (b). Тогда между пробкой и капилляром образуется воздушная пробка, мешающая вытеканию жидкости, пока корковая пробка на месте. Определяется истечение 60 см3 жидкости.

В вискозиметрах Энглера, Редвуда и Сейболта уровень жидкости во время измерения меняется. В иксометре Барбье (фиг. 5) истечение происходит при постоянном давлении.

Иксометр Барбье

Он представляет собой трубку В (8 мм диаметром), соединенную посредством трубки С с трубкой А (5 мм диаметром). Внутри А концентрически вставлена стальная палочка (а) (точно 4 мм диаметром). Истечение через трубочку D в градуированную бюретку К происходит под давлением столба жидкости в 100 мм (разность уровней между нижними точками начала трубок D и F у воронки G, куда жидкость постепенно поступает из воронки-резервуара Н).

Кроме описанных, за последнее время в технику начали проникать вискозиметры, основанные на других принципах. Все технические вискозиметры применяются преимущественно при исследовании масел, нефтепродуктов, а также коллоидов.

Влияние температуры на вязкость очень велико. Вязкость жидкостей сильно падает с температурой и тем быстрее, чем выше величина вязкости. Известна лишь одна аномалия: вязкость воды между 4 и 5° немного возрастает. Общей формулы зависимости вязкости от температуры не существует. В простейшем случае вязкость падает обратно пропорционально температуре: η = а/Т, т. е. текучесть растет пропорционально температуре: ϕ = а'∙Т, что и было показано Бачинским для ртути; обычно, однако, зависимость сложнее; хорошо применима, особенно к нормальным неассоциированным жидкостям, такая формула Бачинского: η = а/Т2. Для неассоциированных жидкостей общей зависимостью вязкости от температуры является формула Бачинского (1913 г.):

Формула Бачинского

где V - молекулярный объем при данной температуре, с, w - константы, особые для каждой жидкости, причем w соответствует константе b в формуле Ван-дер-Ваальса, т. е. связана с размещением свободного пространства между молекулами (V—w); V меняется с температурой, в зависимости от чего меняется и η. Денн (1927 г.) предложил формулу, хорошо согласующуюся с данными для многих веществ различных классов, но еще не подвергнутую широкой проверке:

Vjazkost 14

где А и Q - константы. Денн выводит формулу из основных положений учения о диффузии. Примером влияния V на вязкость может служить касторовое масло (в пуазах):

Vjazkost 15

Влияние давления на вязкость значительно меньше, что объясняется меньшим влиянием его на изменение свободного пространства между молекулами. Вязкость несколько возрастает с повышением давления, притом тем быстрее, чем сложнее молекула. Исключением является вода, у которой при температуре ниже 25° с повышением давления вязкость слегка падает. Пример. Изменения вязкости касторового масла от давления:

Изменения вязкости касторового масла от давления

Вязкость растворов и смесей. Вязкость водных растворов бывает иногда выше, иногда ниже вязкости воды, например, вязкость растворов галоидных и азотнокислых солей калия и аммония при низких температурах меньше, при высоких - больше вязкости чистой воды.

В случае однородных смесей двух нормальных жидкостей текучесть ϕ = 1/η обладает аддитивностью, как показал Бачинский, исходя из своего закона и основываясь главн. обр. на экспериментальном материале Торпе и Роджерса. Из формулы Бачинского: ϕ = k(V—w) видно, что собственно не вязкость, а обратная величина – текучесть - аддитивна для жидкой смеси, если концентрацию выражать не в весовых, а в объемных %; если же сжатие при смешении не велико, она сводится лишь к изменению объема w, «занятого молекулами». При этом, если для смеси написать зависимость от Т (через V), то в ней w будет аддитивно слагаться из значения w для чистых компонентов смеси, константа же k (=1/c) связана с концентрацией значительно более сложной зависимостью. Изменение  константы с, являющейся мерой межмолекулярных сил, с концентрацией смеси может служить для отыскания образующихся в смеси химических соединений компонентов. Связь между вязкостью и химическим строением жидкости была гл. обр. изучена Торпе и Роджерсом (1894 г.) на большом экспериментальном материале. Оказалось, что текучесть ϕ или выражение ηМ/D, т. е. молекулярная кинематическая вязкость (М - молекулярный вес), м. б. аддитивно вычислены из постоянных значений для отдельных групп атомов и других элементов структуры, например, двойных связей, входящих в молекулу; так, при введении в молекулу одной группы СН2, т. е. при переходе в гомологическом ряду от одного члена к последующему, ηМ/D возрастает на 0,08 абсолютных единиц. В противоположность неассоциированным жидкостям (углеводороды, галоидопроизводные и др.), у жидкостей ассоциированных текучесть ϕ и ηМ/D не слагаются аддитивно из значений для компонентов молекулы. Уклонения от аддитивности могут служить для вычисления факторов ассоциации. Вальден показал, что произведение из предельной эквивалентной электропроводности μ данного электролита (при бесконечном разведении) на вязкость растворителя η есть постоянная, не зависящая от природы растворителя:

Vjazkost 17

Величина Const не зависит также и от температуры, как было показано Вальденом и Сахановым. При расчетах степени диссоциации α электролита по данным электропроводности надо вводить поправку на вязкость:

При расчетах степени диссоциации α электролита по данным электропроводности надо вводить поправку на вязкость

здесь η и μ относятся к данному раствору, а η и μ - к бесконечному разведению.

Вязкость коллоидов, например, эмульсий, зависит не только от природы среды и дисперсной фазы, но и от эмульгатора. С повышением содержания дисперсной фазы вязкость обычно повышается тем сильнее, чем больше степень дисперсности. Вязкость эмульсий обычно вычисляется по формуле Эйнштейна:

Вязкость эмульсий обычно вычисляется по формуле Эйнштейна

где η - вязкость эмульсии, η0 - вязкость дисперсионной среды и V - объем глобул в единице объема эмульсии.

Применение вязкости. В теории - для изучения молекулярного строения жидкостей, их ассоциации, строения коллоидов; в практических областях - как один из физических методов анализа в чистой и прикладной химии, при решении гидродинамических вопросов вообще, в частности - турбулентного движения, скорости распределения потоков, падения давления в гладких и шероховатых трубах, при расчете трубопроводов и особенно нефтепроводов. Большое значение вязкость имеет в области теплопередачи, так как она в сильной степени зависит от движения струй, которые, в свою очередь, связаны с вязкостью. Наконец, в области учения о смазке и при оценке нефтепродуктов часто пользуются определениями вязкости.

Вискограмма Молина

Для быстрого нахождения вязкости смесей двух минеральных масел любой вязкости от 2 до 50 °Е весьма удобна вискограмма Молина (фиг. 6), на которой А обозначает вязкость в °Е одного из смешиваемых масел, а объемный % его в смеси указан в верхней части вискограммы; В - вязкость другого смешиваемого масла, и объемный % его в смеси указан в нижней части вискограммы. Вискограмма применима при любой температуре, но одинаковой как для смешиваемых масел, так и для их смеси. Ею пользуются следующим образом.

1. Нахождение вязкости смеси масел, когда даны их вязкости и % содержания в смеси. Пример. Масло А с вязкостью 35°Е—30%; масло В с вязкостью в 6,5°Е—70%. Натягивают нитку между точками, отвечающими «35» по левой вертикальной линии и «6,5» - по правой. Пересечение нитки с вертикальной линией «30% А» (или «70% В») происходит на горизонтали «10,1». Искомая вязкость смеси равна 10,1 °Е.

2. Нахождение соотношения смешиваемых масел по заданным вязкостям компонентов и их смеси. Пример. Из масел с вязкостью 25°Е и 5°Е составить смесь с вязкостью 6,6°Е. Нитку протягивают между точками «25» на вертикали А и «5,0» на вертикали В. Точка ее пересечения с горизонталью «6,6» отвечает «20% А». Для приготовления смеси надо взять 20% масла А.

3. Нахождение вязкости одного из масел по заданным вязкостям смеси, другого масла и содержанию последнего в смеси. Пример. Составить смесь с вязкостью 5°Е из масла с вязкостью 3,0°Е, при содержании его в смеси - 60%. Нитку протягивают от точки «3,0» вертикали А так, чтобы она пересекла вертикаль «60% А» в месте ее пересечения с горизонталью «5,0». Вертикаль В нитка пересекает в точке «16». Другой компонент (40%) должен иметь вязкость 16°Е. Нитку надо натягивать тщательно. Вместо нитки можно употреблять правильную линейку. При соблюдении этих условий и тщательности установки и отсчета точек расхождение с таблицами Молина-Гурвича не превышает 1% от определяемой величины.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 - 1928 г.