Płynna lepkość Metody określania lepkości płynu

W przemyśle działalność badawcza często wymaga obliczenia lepkości płynu. Pracując ze zwykłymi lub zdyspergowanymi mediami w postaci aerozoli, emulsje gazowe wymagają znajomości właściwości fizycznych tych substancji.

Co to jest lepkość płynu?

Nawet Newton położył fundamenty pod taką naukę, jak reologia. Branża ta zajmuje się badaniem odporności substancji w ruchu, tj. Lepkości.

W cieczach i gazach zachodzi ciągła interakcja cząsteczek. Uderzają się nawzajem, odpychają lub po prostu przelatują obok. W rezultacie warstwy materii oddziałują ze sobą, dając szybkość każdemu z nich. Zjawisko takich interakcji cząsteczek cieczy / gazów nazywa się lepkością lub tarciem wewnętrznym.

Aby lepiej rozważyć ten proces, konieczne jest wykazanie doświadczenia z dwiema płytkami, pomiędzy którymi znajduje się ciekły ośrodek. Jeśli przesuniesz górną płytkę, warstwa cieczy "przyklejonej" również zacznie się poruszać z pewną prędkością v1. Po krótkim czasie zauważamy, że leżące poniżej warstwy płynu również zaczynają poruszać się po tej samej trajektorii z prędkością v2, v3 ... vn, itp., Przy v1> v2, v3 ... vn. Stawka najniższego z nich pozostaje zerowa.

Używając gazu jako przykładu, taki eksperyment jest prawie niemożliwy do przeprowadzenia, ponieważ siły oddziaływania między sobą cząsteczek są bardzo małe i nie będzie można zarejestrować wizualnie. Mówi się tu również o warstwach, o prędkości ruchu tych warstw, a zatem w gazowych mediach występuje również lepkość.

Newton i nienewtonowskie media

Płyn Newtona jest płynem, którego lepkość można obliczyć za pomocą wzoru Newtona.

Takie środowiska obejmują wodę i roztwory. Lepkość płynu w takich środowiskach może zależeć od czynników takich jak temperatura, ciśnienie lub struktura atomowa substancji, ale gradient prędkości zawsze pozostanie taki sam.

Płyny nienewtonowskie są takimi mediami, w których wyżej wymieniona wartość może się zmieniać, co oznacza, że ​​formuła Newtona nie będzie tu działać. Substancje takie obejmują wszystkie ośrodki zdyspergowane (emulsje, aerozole, zawiesiny). Obejmuje to również krew. Omówimy to bardziej szczegółowo poniżej.

Krew jako wewnętrzne środowisko ciała

Jak wiecie, 80% krwi to osocze, które ma ciekły stan skupienia, a pozostałe 20% to czerwone krwinki, płytki krwi, białe krwinki i różne wtrącenia. Ludzkie erytrocyty mają średnicę 8 nm. W stanie stacjonarnym tworzą agregaty w postaci kolumn monetowych, jednocześnie znacznie zwiększając lepkość cieczy. Jeśli przepływ krwi jest aktywny, te "konstrukcje" rozpadają się, a tarcie wewnętrzne, odpowiednio, zmniejsza się.

Stosunki średniej lepkości

Oddziaływanie warstw ośrodka na siebie wpływa na charakterystykę całego układu cieczy lub gazu. Lepkość jest jednym z przykładów zjawiska fizycznego, takiego jak tarcie. Dzięki temu górna i dolna warstwa ośrodka stopniowo wyrównują prędkości ich prądu, a na końcu równa się zero. Lepkość można również scharakteryzować jako odporność jednej warstwy ośrodka na drugą.

Aby opisać takie zjawiska, istnieją dwie jakościowe cechy tarcia wewnętrznego:

• dynamiczny współczynnik lepkości (lepkość dynamiczna płynu);
• kinetyczny współczynnik lepkości (lepkość kinetyczna).

Obie wielkości są powiązane równaniem υ = η / ρ, gdzie ρ jest gęstością ośrodka, υ jest lepkością kinetyczną, a η jest lepkością dynamiczną.

Metody określania lepkość płynu

Wiskozymetria jest miarą lepkości. Na obecnym etapie rozwoju nauki możliwe jest znalezienie wartości lepkości cieczy w praktyczny sposób na cztery sposoby:

1. Metoda kapilarna. W tym celu konieczne jest posiadanie dwóch naczyń połączonych szklanym kanałem o małej średnicy o znanej długości. Musisz także znać wartości ciśnienia w jednym naczyniu i w drugim. Ciecz umieszczana jest w szklanym kanale i przez pewien czas przepływa z jednej kolby do drugiej.

Dalsze obliczenia są wykonywane za pomocą wzoru Poiseuille, aby znaleźć wartość współczynnika lepkości płynu.

W praktyce media ciekłe mogą być mieszaninami ogrzanymi do 200-300 stopni. Zwykła szklana rura w takich warunkach byłaby po prostu zdeformowana lub nawet pękła, co jest niedopuszczalne. Nowoczesne wiskozymetry kapilarne składają się z wysokiej jakości i odpornego materiału, który łatwo wytrzymuje takie obciążenia.

2. Metoda medyczna według Hessego. Aby obliczyć lepkość cieczy w ten sposób, konieczne jest posiadanie jednej, ale dwóch identycznych instalacji kapilarnych. W jednym z nich umieścić środowisko o znanej wcześniej wartości tarcia wewnętrznego, a w drugiej - cieczy testowej. Następnie zmierz dwie wartości czasu i uzupełnij proporcję, o jaką osiągają żądaną liczbę.

3. Metoda rotacyjna. Do jego realizacji konieczne jest zaprojektowanie dwóch współosiowych cylindrów. Oznacza to, że jeden z nich musi znajdować się w drugim. W przedziale między nimi wlać płyn, a następnie dać prędkość do cylindra wewnętrznego. To prędkość kątowa również raportowano płyn. Różnica w sile momentu pozwala nam obliczyć lepkość medium.

4 Oznaczanie lepkości płynu metodą Stokesa. Aby przeprowadzić to doświadczenie, konieczne jest posiadanie lepkościomierza Geppler, który jest cylindrem wypełnionym cieczą. Przed rozpoczęciem eksperymentu wykonaj dwa znaczniki na cylindrze i zmierz odległość między nimi. Następnie weź kulę o pewnym promieniu R i obniż ją do ciekłego ośrodka. Aby określić szybkość upadku, znajdź czas ruchu obiektu z jednej etykiety do drugiej. Znając prędkość kuli, można obliczyć lepkość płynu.

Praktyczne zastosowanie wiskozymetrów

Określenie lepkości płynu ma ogromne praktyczne znaczenie w przemyśle rafinacji ropy naftowej. Podczas pracy z wielofazowymi mediami zdyspergowanymi ważne jest poznanie ich właściwości fizycznych, zwłaszcza tarcia wewnętrznego. Nowoczesne wiskozymetry wykonane są z trwałych materiałów, w swojej produkcji wykorzystują zaawansowaną technologię. Wszystko to razem pozwala pracować z wysoką temperaturą i ciśnieniem bez szkody dla samego urządzenia.

Lepkość płynu odgrywa dużą rolę w przemyśle, ponieważ transport, przetwarzanie i ekstrakcja, na przykład oleju, zależy od wartości wewnętrznego tarcia płynnej mieszaniny.

Jaką rolę odgrywa lepkość w sprzęcie medycznym?

Przepływ mieszaniny gazów przez rurkę dotchawiczą zależy od wewnętrznego tarcia tego gazu. Zmiana lepkości czynnika ma tu inny wpływ na penetrację powietrza przez aparat i zależy od składu mieszanki gazowej.

Wprowadzenie leków, szczepionek przez strzykawkę jest również żywym przykładem działania lepkości ośrodka. Mówimy o spadkach ciśnienia na końcu igły podczas wstrzykiwania płynu, chociaż początkowo sądzono, że to fizyczne zjawisko może być zaniedbane. Występowanie wysokiego ciśnienia na końcówce jest wynikiem tarcia wewnętrznego.

Wniosek

Lepkość ośrodka jest jedną z wielkości fizycznych, która ma wielkie praktyczne zastosowanie. W laboratorium, przemyśle, medycynie - we wszystkich tych obszarach bardzo często pojawia się pojęcie tarcia wewnętrznego. Praca najprostszego wyposażenia laboratoryjnego może zależeć od stopnia lepkości ośrodka, który jest wykorzystywany do badań. Nawet przemysł przetwórczy nie może obejść się bez wiedzy w dziedzinie fizyki.