Коэффициент вязкости: формула, таблицы воды, воздуха, масла

Коэффициент вязкости: определение и физический смысл

Коэффициент вязкости определение — это физическая величина, характеризующая способность жидкости или газа оказывать сопротивление при относительном движении их слоев. Коэффициент вязкости определяет интенсивность внутреннего трения в текучих средах и является одним из важнейших параметров при изучении гидродинамических процессов.

В современной физике коэффициент вязкости рассматривается как мера внутреннего трения, возникающего при относительном движении соседних слоев жидкости или газа. Это свойство проявляется только при движении среды — в покое вязкость обнаружить невозможно.

Коэффициент вязкости смысл заключается в том, что он численно равен силе трения, возникающей между двумя слоями жидкости единичной площади при единичном градиенте скорости. Физический смысл этой величины особенно важен при проектировании трубопроводов, насосов и других гидравлических систем.

Виды коэффициентов вязкости

Коэффициент динамической вязкости

Коэффициент динамической вязкости (обозначается η или μ) — это отношение касательного напряжения к градиенту скорости деформации сдвига. Динамический коэффициент вязкости при температуре 20°C для воды составляет приблизительно 1 мПа·с.

Коэффициент динамической вязкости жидкости зависит от природы вещества, температуры и давления. Для большинства жидкостей с повышением температуры динамическая вязкость уменьшается, в то время как для газов наблюдается обратная зависимость.

Коэффициент кинематической вязкости

Коэффициент кинематической вязкости (обозначается ν) представляет собой отношение динамической вязкости к плотности вещества при той же температуре. Определить коэффициент кинематической вязкости можно по формуле:

Коэффициент кинематической вязкости жидкости показывает, насколько легко жидкость течет под действием силы тяжести. Этот параметр особенно важен при расчете течения жидкостей в открытых каналах и при свободном истечении.

Коэффициент объемной вязкости

Коэффициент объемной вязкости (вторая вязкость) характеризует внутреннее трение при объемном сжатии или расширении среды. Этот параметр играет важную роль в процессах распространения звука и ударных волн в жидкостях и газах.

Объемная вязкость проявляется только при учете сжимаемости среды и обычно существенна для газов при высоких давлениях и частотах колебаний.

Коэффициент внутренней вязкости

Коэффициент внутренней вязкости особенно важен при изучении растворов полимеров. Для полимерных систем используется понятие характеристической вязкости, которая связана с молекулярной массой полимера уравнением Марка-Куна-Хаувинка.

Единицы измерения коэффициента вязкости

Единица коэффициента вязкости в системе СИ для динамической вязкости — паскаль-секунда (Па·с). Единица измерения коэффициента вязкости в системе СГС — пуаз (П), где 1 Па·с = 10 П.

В чем измеряется коэффициент вязкости кинематической? В системе СИ — м²/с, в системе СГС — стокс (Ст), где 1 Ст = 10⁻⁴ м²/с.

Коэффициент вязкости формула и расчеты

Коэффициент вязкости формула для различных методов измерения имеет разный вид. Коэффициент динамической вязкости формула Ньютона является основополагающей:

Для расчета вязкости по методу Пуазейля (капиллярный метод) используется формула:

Зависимость коэффициента вязкости от температуры

Зависимость коэффициента вязкости от температуры является одной из важнейших характеристик текучих сред. Коэффициент вязкости от температуры для жидкостей и газов изменяется по-разному:

Для жидкостей вязкость уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону:

Для газов динамический коэффициент вязкости при температуре увеличивается с ее ростом согласно формуле Сазерленда:

Коэффициент вязкости давления

Коэффициент вязкости давления характеризует изменение вязкости среды при изменении давления. Зависимость коэффициента вязкости от давления особенно существенна для жидкостей при высоких давлениях.

Для большинства жидкостей вязкость увеличивается с ростом давления. Эта зависимость может быть описана эмпирической формулой:

Коэффициент вязкости жидкости

Коэффициент вязкости жидкости существенно зависит от ее молекулярной структуры, температуры и давления. Коэффициент вязкости жидкости зависит также от наличия растворенных веществ и примесей.

Коэффициент вязкости воды

Коэффициент вязкости воды является эталонным значением для многих расчетов. Динамический коэффициент вязкости воды при 20°C составляет 1,002 мПа·с. Коэффициент кинематической вязкости воды при той же температуре равен 1,004 мм²/с.

Вязкость воды аномально изменяется с температурой — при нагревании от 0°C до 100°C динамическая вязкость уменьшается более чем в 6 раз.

Коэффициент вязкости масла

Коэффициент вязкости масла является критическим параметром для обеспечения надежной работы двигателей и механизмов. Моторные масла классифицируются по системе SAE, которая определяет их вязкостно-температурные характеристики.

Современные всесезонные масла содержат полимерные присадки — модификаторы вязкости, которые обеспечивают оптимальные характеристики в широком диапазоне температур.

Коэффициент вязкости нефти

Коэффициент вязкости нефти варьируется в очень широких пределах — от 2 до 300 мм²/с при 20°C в зависимости от месторождения и состава. Вязкость нефти определяет технологию ее добычи и транспортировки.

В пластовых условиях вязкость нефти может быть в десятки раз меньше, чем на поверхности, из-за растворенного газа и повышенной температуры.

Коэффициент вязкости газа

Коэффициент вязкости газа значительно меньше, чем у жидкостей, и увеличивается с ростом температуры. Коэффициент динамической вязкости газа определяется интенсивностью теплового движения молекул.

Коэффициент вязкости воздуха

Коэффициент вязкости воздуха при нормальных условиях (20°C, 1 атм) составляет около 18,2 мкПа·с. Коэффициент динамической вязкости воздуха слабо зависит от давления при умеренных его значениях.

Коэффициент кинематической вязкости воздуха при 20°C равен приблизительно 15,1 мм²/с и сильно зависит от температуры из-за изменения плотности.

Коэффициент вязкости идеального газа

Коэффициент вязкости идеального газа может быть рассчитан теоретически на основе кинетической теории газов:

Методы определения коэффициента вязкости

Методы определения коэффициента вязкости разнообразны и выбираются в зависимости от типа исследуемой среды, требуемой точности и диапазона измерений.

Определение коэффициента вязкости методом Стокса

Определение коэффициента вязкости методом Стокса основано на измерении скорости падения шарика в исследуемой жидкости. Определение коэффициента вязкости жидкости этим методом описывается формулой:

Определить коэффициент вязкости жидкости методом Стокса можно с высокой точностью для жидкостей с вязкостью от 0,1 до 100 Па·с.

Капиллярный метод

Капиллярный метод основан на законе Пуазейля и заключается в измерении времени истечения определенного объема жидкости через калиброванный капилляр. Определить коэффициент динамической вязкости можно с помощью капиллярных вискозиметров типа Оствальда или Уббелоде.

Ротационный метод

Ротационные вискозиметры измеряют момент сопротивления при вращении одного из коаксиальных цилиндров в исследуемой среде. Этот метод позволяет исследовать как ньютоновские, так и неньютоновские жидкости.

Измерение коэффициента вязкости

Измерение коэффициента вязкости является важной задачей в различных областях науки и техники. Современные приборы позволяют проводить измерения с высокой точностью в широком диапазоне значений.

Выбор метода измерения зависит от типа исследуемой жидкости, требуемой точности и условий эксперимента.

Коэффициент вязкости трения

Коэффициент вязкости трения характеризует силу внутреннего трения между слоями движущейся жидкости. Этот параметр определяет потери энергии при течении жидкости в трубопроводах и каналах.

Вязкое трение принципиально отличается от сухого трения тем, что оно пропорционально скорости движения, а не нормальной нагрузке.

Коэффициент диффузии вязкости

Коэффициент диффузии вязкости связывает процессы переноса импульса и массы в жидкостях и газах. Соотношение между коэффициентами диффузии и кинематической вязкости определяется числом Шмидта:

Теплопроводность коэффициент вязкости

Теплопроводность коэффициент вязкости связаны между собой через число Прандтля, которое характеризует соотношение между переносом импульса и теплоты:

Практическое применение

Найти коэффициент вязкости необходимо во многих практических задачах:

• Проектирование трубопроводных систем
• Расчет насосного оборудования
• Оптимизация процессов смазки
• Контроль качества нефтепродуктов
• Разработка лакокрасочных материалов
• Проектирование химических реакторов
• Медицинская диагностика (вязкость крови)
• Пищевая промышленность

Коэффициент вязкости значение которого точно известно, позволяет правильно рассчитать гидравлические сопротивления, подобрать оптимальные режимы перекачки жидкостей и обеспечить эффективную работу оборудования.

Коэффициент вязкости среды является ключевым параметром при моделировании процессов тепло- и массопереноса, а также при изучении гидродинамической устойчивости потоков.

Коэффициент вязкости какой выбрать для конкретного применения — вопрос, требующий учета многих факторов: температурного режима, давления, скорости сдвига и химической совместимости материалов.

Коэффициент вязкости обозначается различными символами в зависимости от типа: η (эта) или μ (мю) для динамической вязкости, ν (ню) для кинематической вязкости.