Dynamiczna i kinematyczna lepkość płynu. Co to jest?

W życiu codziennym termin "lepka ciecz" jest często utożsamiany z czymś lepkim, śliskim, w którym można się brudzić. Częściowo tak jest. Przyjrzyjmy się bliżej sytuacji.

Substancje

Gdziekolwiek jesteśmy, zawsze jesteśmy otoczeni substancjami i ciałami fizycznymi, które są w trzech stanach skupienia: w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Po czwarte stan materii - osocze - niezdolne do istnienia w tak zwanych normalnych warunkach. Sztucznie stworzone tryby są niezbędne do jego konserwacji. Substancje ciekłe i gazowe zajmują ponad 85% objętości naszej przestrzeni życiowej. Wystarczy wspomnieć o powietrzu, którym oddychamy i wodzie, którą pijemy. A każdą z tych substancji można scharakteryzować pod względem ich lepkości.

Co mierzy się

Z definicji lepkość jest własnością płynnych ciał, aby opierać się ich ruchowi względem ustalonego układu współrzędnych lub względem siebie. Występuje dynamiczna i kinematyczna lepkość. Lepkość dynamiczna w międzynarodowym układzie SI mierzona jest w [Pa * s] (Pascal na sekundę). Z fizycznego punktu widzenia ta wartość pokazuje zmianę strat ciśnienia w jednostce czasu. W systemie GHS (centymetr - gram - sekunda) mierzy się go w poezji (1 Pa * s = 10 puazów) i nosi imię słynnego francuskiego fizyka i lekarza Jean-Louisa Marie Poiseuille'a.

Lepkość kinematyczna jest mierzona w m ² / s (w systemie SI) i w stokach (częściej w centystokes). 1 cSt = 1 mm2 / s. Jest to podstawowa wartość tej płynnej właściwości. Za pomocą specjalnego urządzenia, wiskozymetru, można zmierzyć lepkość dowolnej cieczy. Jego zdefiniowana (skalibrowana) objętość jest przepuszczana przez skalibrowany otwór bez impulsu mechanicznego, tylko pod działaniem grawitacja.

Metoda określania

Jednostka lepkości kinematycznej została określona już w późnych latach czterdziestych dwudziestego wieku przez radzieckich naukowców Ya I. Frenkel. W swoich równaniach opisał mechanizm toczących się kropel różnych cieczy z różnych nachylonych powierzchni (wzór 2.1, patrz rysunek powyżej), gdzie r i m są promieniem i masą kropli, α jest krytycznym kątem padania zwoju, θ jest kątem wyrzucania kropli, współczynnik tarcia. Z teorii ruchu cząsteczek i uzasadnienia czasu ich "osiadania" przez Frenkela (i, niezależnie od niego, dwa lata później, przez francuskiego fizyka Andrade'a), uzyskano zależność w celu obliczenia lepkości dynamicznej (wzór 2.2). Taki związek nazywany jest "równaniem Frenkela-Andrade'a", chociaż w literaturze zagranicznej często pomijane jest nazwisko radzieckiego fizyka, nazywając go formułą Andrade'a.

Współczynniki

W wartościach bezwzględnych jednostkę lepkości kinematycznej można uzyskać ze stosunku lepkości kinematycznej do dynamicznej, poprzez gęstość ośrodka (wzór 2.3). Należy pamiętać, że samo lepkie medium nie jest podzielone na kinetyczne lub dynamiczne. Obie wartości można obliczyć dla dowolnej substancji. Biorąc pod uwagę, że gdy medium przepływa, powstaje opór na ruch, możliwe jest zbudowanie lepkiego wektora siły tarcia. W wartościach bezwzględnych jest wprost proporcjonalna do pola ruchu ośrodka S i jego prędkości v, i odwrotnie proporcjonalna do odległości między płaszczyznami h (wzór 2.4). Wartość ta nazywana jest współczynnikiem lepkości dynamicznej lub współczynnikiem proporcjonalności. Znak minus wskazuje na przeciwieństwo przyłożenia siły (kierunek wektora). Współczynnik lepkości kinematycznej z reguły nie jest obliczany. W rzadkich przypadkach nazywa się to równaniem współczynnika (wzór 2.3).

Zależności

Lepkość odgrywa dość istotną rolę w ruchu płynów. W wyniku siły sklejania (zwłaszcza w cieczach o dużej lepkości) warstwa przepływu płynu, która znajduje się bezpośrednio na twardej powierzchni, pozostaje nieruchoma. Szybkość pozostałych warstw rośnie wraz z odległością od płaszczyzny ściany. Lepkość kinematyczna i dynamiczny wzrost wraz ze wzrostem ciśnienia i spadek wraz ze wzrostem temperatury otoczenia.

Gazy i nienewtonowskie płyny

Lepkość ośrodków gazowych określa się w zależności od ich temperatury. Dla doskonały gaz Możesz użyć wzoru Sutherlanda (wzór 2.5). Ta formuła ma zastosowanie w temperaturach od absolutne zero do 555 K oraz w zakresie ciśnień nie większym niż 3,45 MPa.

Lepkość kinematyczną płynów nieniutonowskich oblicza się zgodnie z powyższym prawem Naviera - Stokesa (wzór 2.6), gdzie σ _ij jest tensorem naprężeń lepkich. Płyny nienewtonowskie obejmują pseudoplastiki (krew, farba, keczup, lawa itp.), A także płyny dylatacyjne (ciecze o ściśle zwartych cząstkach, których lepkość wzrasta gwałtownie wraz ze wzrostem wytrzymałości na ścinanie).

W liczbach

Krytyczną granicę przejścia do innego stanu skupienia (stałego) w cieczach osiąga się przy wartościach lepkości około 10 ¹¹ - 10 ¹² [Pa * s]. W tym przypadku płyn nabiera właściwości szklistej masy (na przykład glikol monoetylenowy w stężeniu większym niż 75% w roztworze wodnym). W czystej wodzie bez zanieczyszczeń lepkość kinematyczna w temperaturze 20 ° C i pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi 1,006 * 10 ⁶ m ² / s.