Методы определения коэффициента вязкости

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости

Вязкость жидкости – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена при покое жидкости, так как она проявляется только при её движении. Для правильной оценки таких гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо прежде всего установить законы внутреннего трения жидкости и составить ясное представление о механизме самого движения.

Содержание статьи

  • Физический смысл вязкости
  • Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная
  • Коэффициент вязкости жидкости
  • Методы измерения вязкости. Метод Стокса
  • Видео о вязкости

Вязкость жидкости. Методы определения вязкости жидкости

В промышленности, научной деятельности часто необходимо вычислить коэффициент вязкости жидкости. Работа с обычными или дисперсными средами в виде аэрозолей, газовых эмульсий требует знаний о физических свойствах этих веществ.

Вискозиметры

Вискозиметры

Одним из основных свойств жидкостей и газов является вязкость.

Показатель отражает структуру и физико-химическое состояние текучих веществ.

Для контроля и определения параметров вязкости используются специальные анализаторы — вискозиметры.

Лабораторная работа №9 Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.

Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу Стокса.

Цель работы: 1.Изучить явление внутреннего трения в жидкостях. 2.Освоить метод определения вязкости жидкости – метод Стокса. 3.Определить температурную зависимость коэффициента вязкости глицерина.

Принадлежности: Стеклянный цилиндр с исследуемой жидкостью (глицерин); термостат; секундомер; измерительный микроскоп; масштабная линейка; мелкие свинцовые или стальные шарики.

Литература:

1. А. Н. Матвеев. Молекулярная физика; М.: Высшая школа; 1987- с.360

2. Я. И. Френкель. Кинетическая теория жидкостей; Л.: Наука; 1975- с.221 – 229

3. И. К. Кикоин, А. К. Кикоин. Молекулярная физика; М.: Наука; 1976 §§ 48, 49, 97

4. Л. Л. Гольдин. Руководство к лабораторным занятиям по физике; 1973, с.140

5. В.М. Гзогян, Ю.П. Полыгалов. Ключевые вопросы молекулярной физики; Кемерово 2003

Явление внутреннего трения (вязкость) состоит в возникновении сил трения между слоями газа и жидкости при их относительном перемещении. Сила трения выражается формулой Ньютона:

где – коэффициент динамической вязкости: величина, показывающая, как быстро изменяется скорость жидкости или газа в направлении, перпендикулярном направлению движения слоев. Эта величина называется градиентом скорости; – элементарная площадка поверхности соприкосновения слоев.

Иhello_html_m7faad641.pngз формулы (1) очевиден физический смысл коэффициента вязкости. Он численно равен силе трения между слоями площади при градиенте скорости, равном единице.

Рис.1

На небольшой шарик, падающий вертикально в жидкости или газе, действует три силы:

1. сила тяжести (- радиус шарика, – его плотность), направленная вниз; 2. выталкивающая (Архимедова) сила (- плотность жидкости или газа), направленная вверх; 3. сила сопротивления, направленная в сторону, противоположную движению, т.е. вверх (рис. 1). основной закон динамики в этом случае запишется так:

Из этих трех сил одна является переменной – это сила сопротивления, быстро возрастающая с ростом скорости. Но с течением времени, по мере возрастания скорости, ускорение уменьшается и наступает такой момент, когда оно становится равным нулю. Начиная с этого момента, тело будет двигаться равномерно с постоянной скоростью, которая называется установившейся. Тогда уравнение (3) запишется так:

Это выражение можно использовать для определения коэффициента вязкости:

При движении шарика в среде, помещенной в каком-либо сосуде, необходимо в (5) внести поправку, учитывающую размеры тела (радиус сосуда) и окончательно эта формула имеет вид:

где – радиус сосуда, в котором происходит падение шарика.

При выводе формулы Стокса предполагается, что обтекание шарика жидкостью имеет ламинарный характер. Как известно, характер обтекания определяется значением числа Рейнольдса.

Обтекание является ламинарным лишь при небольшом значении. По результатам опыта следует вычислить числа Рейнольдса для различных температур жидкости.

Определение вязкости (вискозиметрия)

Вязкость, внутреннее трение – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одного их слоя относительно другого. Вязкость жидкостей легче всего обнаруживается при их переливании или помешивании.

Количественно вязкость характеризуется значением величины, называемой динамической вязкостью или коэффициентом внутреннего трения и обозначаемой n или u. Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.

Единицей динамической вязкости в Международной системе единиц (СИ) является паскаль-секунда (Па*с). Паскаль-секунда равна динамической вязкости среды, касательное напряжение в которой при ламинарном (упорядоченном) течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, составляет 1 Па.

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости среды к ее плотности при той же температуре:

Формула

Единицей кинематической вязкости в СИ является квадратный метр в секунду (м2/с). При кинематической вязкости 1 м2/с динамическая вязкость среды плотностью 1 кг/м3 равна 1 Па*с.

Часто пользуются также величиной относительной, или условной, вязкости (ВУ) – отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре (см. ниже).

Широкий диапазон значений вязкости, а также необходимость измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений обусловливает большое разнообразие методов определения вязкости и конструкции вискозиметров.

Что такое вязкость жидкости?

Еще Ньютон положил начало такой науке, как реология. Эта отрасль занимается изучением сопротивления вещества при движении, т. е. вязкости.

В жидкостях и газах происходит непрерывное взаимодействие молекул. Они ударяются друг о друга, отталкиваются или просто пролетают мимо. В итоге слои вещества как бы взаимодействуют друг с другом, придавая скорость каждому из них. Явление подобного взаимодействия молекул жидкостей/газов и называется вязкостью, или внутренним трением.

Чтобы лучше рассмотреть этот процесс, необходимо продемонстрировать опыт с двумя пластинками, между которыми находится жидкая среда. Если двигать верхнюю пластинку, то «прилипший» к ней слой жидкости также начнет двигаться с определенной скоростью v1. Через короткий промежуток времени замечаем, что нижележащие слои жидкости также начинают двигаться по той же траектории со скоростью v2, v3…vn и т. д., причем v1>v2, v3…vn. Скорость самого нижнего из них остается равна нулю.

вязкость жидкости

На примере газа такой опыт провести практически невозможно, т. к. силы взаимодействия молекул друг с другом очень малы, и визуально это зарегистрировать не удастся. Здесь тоже говорят о слоях, о скорости движения этих слоев, поэтому в газообразных средах также существует вязкость.

Что представляют собой вискозиметры

Производится большое количество приборов для анализа вязкости, каждый из которых разработан для определенных веществ и условий измерений.

К наиболее популярным вискозиметрам относятся капиллярные и ротационные устройства:

Капиллярный прибор состоит из следующих основных частей:

  • емкости для измерения количества протекающей через капилляр жидкости;
  • полой U – образной трубки;
  • калиброванного капилляра, диаметром от 0,3 до 0,7 мм;
  • блока для определения скорости течения жидкости.

Показатель вязкости определяется по времени истеченияисследуемого вещества через капилляр заданного диаметра.

Конструкция капиллярных вискозиметров.

Основным преимуществом капиллярных измерителей вязкости является возможность моделирования реальных технологических процессов.

Основные узлы ротационных устройств:

  • цилиндрический резервуар, заполняемый исследуемым веществом;
  • внутреннийцилиндр, соосно помещаемый в полый резервуар;
  • электродвигатель, придающий движение ротору;
  • электронный блок управления с датчиками.

Один из цилиндров вращается (ротор), а другой (статор) находится в неподвижном состоянии.

Несмотря на широкий ассортимент выпускаемых вискозиметров, их разработки продолжаются, с целью повышения точности и расширения пределов измерений, обеспечения автоматического управления непрерывной работы.

Где используются вискозиметр

Вискозиметры используются для контроля вязкости различных веществ, участвующих в технологических процессах во многих отраслях:

  • в медицине приборы используются для измерения вязкости крови человека;
  • в фармакологии и косметологии — определение состояния лекарственных препаратов, кремов, мазей и сиропов;
  • в пищевой промышленности — анализ напитков, молочных продуктов, меда;
  • в химическом производстве — определение вязкости жидких и текучих материалов;
  • в строительстве — изготовление лакокрасочных материалов, шпаклевок, клеев, паст.

Постоянно приходится прибегать к регулярному анализу вязкости нефти и продуктов ее переработки в нефтяной отрасли.

Анализаторы вязкости необходимы практически везде, где ведется работа с жидкими текучими материалами, состояние которых должно соответствовать определенным нормам.

Измерения

Отберите 5 шариков и с помощью микроскопа измерьте их средние диаметры.

Измерьте комнатную температуру глицерина, для которой, пользуясь графиком, прилагаемом в работе, найдите плотность глицерина.

Включите тумблер “сеть” на секундомере, дайте ему прогреться 1-2 минуты нажмите кнопку “сброс”. Для пуска и остановки секундомера пользуйтесь тумблером “пуск” и “стоп”.

Опустите один из измеренных шариков в сосуд с глицерином и как только шарик пересечет верхнюю метку, включите секундомер, а когда шарик пройдет нижнюю метку, остановите его.

Измерьте расстояние L между метками, соответствующее измеренному времени t .

Повторите опыт для остальных четырех шариков.

Рассчитайте скорость движения шарика. Величины L , t , занесите в таблицу.

По формуле (6) вычислите значение коэффициента вязкости и относительную погрешность.

Ньютоновские и неньютоновские среды

Ньютоновская жидкость – это такая жидкость, вязкость которой можно высчитать с помощью формулы Ньютона.

К таким средам относятся вода и растворы. Коэффициент вязкости жидкости в таких средах может зависеть от таких факторов, как температура, давление или строение атома вещества, однако градиент скорости всегда останется неизменным.

коэффициент вязкости жидкости

Неньютоновские жидкости – это такие среды, в которых упомянутое выше значение может изменяться, а значит, формула Ньютона здесь действовать не будет. К таким веществам относятся все дисперсные среды (эмульсии, аэрозоли, суспензии). Сюда же относится и кровь. Об этом более подробно поговорим далее.

Виды вязкости. Как определить

Вязкость — это способность веществ сопротивляться собственному течению за счет сил молекулярного взаимодействия.

Различают два вида вязкости:

Динамическая вязкость. Это показатель густоты в реальных условиях, при температуре окружающей среды и анализируемого вещества 18-22 °С. Показатель повышается с увеличением давления и снижается при повышении температуры жидкости. Измерения выполняются по системе СИ (Международная система единиц) в Па·с (паскаль-секунда).
Кинематическая вязкость. Измерение проводится при определенном давлении и температуре. Показатель кинематической вязкости соответствует отношению коэффициента динамической вязкости к плотности жидкостей или газов и измеряется в Стоксах (Ст), или метрах квадратных в секунду (м2/с).

Вязкость может измеряться как за счет гидростатического давления, так и и с помощью искусственно создаваемого внешнего давления.

Таблица 1. Вязкость жидкостей при температуре 20°С.

В-во

Динамическая вязкость 10­-3 кг/(м·с)

Кинематическая вязкость10­-6кг/(м2·с-1)

Измерение вязкости на вискозиметре с падающим шариком

Измерение вязкости путем определения скорости падения шарика в жидкости проводят с помощью вискозиметра Гепплера (рис. 4).

На рис. 4 показан общий вид вискозиметра с падающим шариком. В комплект вискозиметра входят шарики с диаметром от 10,00 до 15,80 мм, что обеспечивает измерение динамической вязкости градуировочных жидкостей в диапазоне от 0,6 до 8∙104 мПа∙с.

Вискозиметр с падающим шариком. 1 – калибровочные отметки; 2 – шарик.

Рисунок 4. Вискозиметр с падающим шариком. 1 – калибровочные отметки; 2 – шарик.

Методика. Для измерения вязкости испытуемую жидкость заливают в трубку, опускают шарик и термостатируют вискозиметр в течение примерно 30 мин при температуре (20 ± 0,1) оС, если не указано иначе в фармакопейной статье. Далее шарик ставят в исходное положение. Включают секундомер, когда нижняя часть шарика коснется верхней метки, и останавливают, когда шарик достигнет нижней метки. Время движения шарика измеряют не менее 5 – 7 раз. При этом разность между наибольшим и наименьшим значениями времени движения шарика не должна превышать 0,5 % от его среднего значения.

Динамическую вязкость испытуемой жидкости вычисляют по формуле:

Постоянная вискозиметра (К) определяется по формуле:

где η0 – динамическая вязкость градуировочной жидкости, мПа ∙ с ;

ρш и ρ – плотности шарика и градуировочной жидкости соответственно, г/см 3 ;

t0ср – среднее значение времени движения данного шарика в градуировочной жидкости, с.

Число постоянных вискозиметра соответствует числу шариков, входящих в комплект вискозиметра.

При необходимости постоянные прибора могут быть проверены по вышеуказанной формуле с помощью градуировочных жидкостей с известными значениями динамической вязкости. Плотность шариков ρш вычисляют по формуле:

где m – масса шарика, определяемая взвешиванием, г;

d – диаметр шарика, см.

Перед проведением измерений вискозиметр следует тщательно промыть и высушить.

Кровь как внутренняя среда организма

Как известно, 80 % крови составляет плазма, которая имеет жидкое агрегатное состояние, а остальные 20 % – это эритроциты, тромбоциты, лейкоциты и различные включения. Эритроциты человека имеют диаметр 8 нм. В неподвижном состоянии они формируют агрегаты в виде монетных столбиков, при этом существенно повышают вязкость жидкости. Если ток крови активен, эти «конструкции» распадаются, а внутреннее трение, соответственно, уменьшается.

Коэффициенты вязкости среды

Взаимодействие слоев среды друг на друга сказывается на характеристиках всей системы жидкости или газа. Вязкость – это один из примеров такого физического явления, как трение. Благодаря ей верхние и нижние слои среды постепенно выравнивают скорости своего тока, и в конечном итоге она приравнивается к нулю. Также вязкость можно характеризовать как сопротивление одного слоя среды другому.

Для описания таких явлений выделяют две качественные характеристики внутреннего трения:

  • динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость жидкости);
  • кинетический коэффициент вязкости (кинетическая вязкость).

Обе величины связаны уравнением υ = η / ρ, где ρ – плотность среды, υ – кинетическая вязкость, а η – динамическая вязкость.

динамическая вязкость жидкости

Определение динамической вязкости разбавленных растворов полимеров (по ГОСТ 18249-72)

Концентрацию раствора полимера выбирают так, чтобы отношение времени истечения раствора т ко времени истечения растворителя то составляло 1,2-1,6. В соответствии с этим подбирают вискозиметр.

Величина навески полимера, выбор растворителя, его объем и условия растворения указываются в стандартах или технических условиях на данный полимер.

При определении вязкости на вискозиметрах типа ВПЖ-2 приготовляют растворы четырех концентраций, на вискозиметре ВПЖ-1-одной концентрации; растворы меньших концентраций получают разбавлением в самом вискозиметре. Для этого в вискозиметр наливают 13-16 мл раствора, измеряют время истечения, после чего последовательно добавляют измеренный объем растворителя и перед каждым последующим измерением времени истечения тщательно перемешивают. Концентрацию разбавленного раствора А1 вычисляют по формуле:

Формула

где А – концентрация раствора полимера, залитого в вискозиметр, г/мл; V – объем раствора в вискозиметре, мл; V1 – объем добавленного растворителя, мл.

Вискозиметр типа ВПЖ-2 заполняют чистым растворителем или раствором так же, как описано выше. Отклонения температуры термостатирования не должны превышать при комнатных температурах ±0,05 °С, при повышенных ±0,15 °С. Уровень термостатирующей жидкости должен быть на 3-4 см ниже верхнего конца колена вискозиметра.

После 15-минутного термостатирования вискозиметра с растворителем или раствором полимера определяют время истечения растворителя т0 или растворов различных концентраций т. При этом за результат принимают среднее арифметическое не менее трех определений, расхождение между которыми не должно превышать 0,4 с.

Динамическая вязкость разбавленных растворов n или растворителя n0 (в сантипуазах) вычисляют по формулам:

Формула

где С – постоянная вискозиметра, сСт/с; р, р0 – плотность раствора полимера или растворителя при температуре испытания, г/см3; т, т0 – время истечения раствора или растворителя, с.

Калибровка вискозиметра

Анализаторы вязкости, давно находящиеся в работе, необходимо периодически подвергать поверке или калибровке.

Калибровка вискозиметров осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ и основана на определении времени протекания через прибор эталонной жидкости.

При выполнении поверки следует выполнять температурную корректировку согласно коэффициенту, указанному в сертификате, прилагаемом производителем эталонного раствора.

При калибровке приборов могут использоваться как калибровочные масла, так и эталонные жидкости, кинематические показатели вязкости которых при различных температурах известны.

Практическое применение вискозиметрам

Определение вязкости жидкости имеет большое практическое значение в нефтеперерабатывающей промышленности. При работе с многофазными, дисперсными средами важно знать их физические свойства, особенно внутреннее трение. Современные вискозиметры сделаны из прочных материалов, при их производстве задействуются передовые технологии. Все это в совокупности позволяет работать с высокой температурой и давлением без вреда для самого оборудования.

Вязкость жидкости играет большую роль в промышленности, потому что транспортировка, переработка и добыча, например, нефти зависят от значений внутреннего трения жидкостной смеси.

методы определения вязкости жидкости

Применение

Приборы применяются для определения вязкости различных жидких и газообразных веществ:

  • человеческой крови;
  • горюче-смазочных материалов;
  • нефтепродуктов;
  • расплавленного металла;
  • красок, лаков, смол;
  • жидких полимеров;
  • строительных смесей;
  • мазей и кремов;
  • расплавленного шоколада;
  • молочных и других пищевых продуктов.

Производятся приборы универсального применения и узкоспециализированные устройства, предназначенные для определенного вида соединений.

Измерение вязкости дидкости.

Какую роль играет вязкость в медицинском оборудовании?

Поступление газовой смеси через эндотрахеальную трубку зависит от внутреннего трения этого газа. Изменение значений вязкости среды здесь по-разному отражается на проникновении воздуха через аппарат и зависит от состава газовой смеси.

Введение лекарственных препаратов, вакцин через шприц тоже является ярким примером действия вязкости среды. Речь идет о перепадах давления на конце иголки при впрыскивании жидкости, хотя изначально полагали, что этим физическим явлением можно пренебречь. Возникновение высокого давления на наконечнике – это результат действия внутреннего трения.

Заключение

Вязкость среды – это одна из физических величин, которая имеет большое практическое применение. В лаборатории, промышленности, медицине – во всех этих сферах понятие внутреннего трения фигурирует очень часто. Работа простейшего лабораторного оборудования может зависеть от степени вязкости среды, которая используется для исследований. Даже перерабатывающая промышленность не обходится без знаний в области физики.

Производители

Крупнейшие отечественные и зарубежные производители вискозиметров:

Dong Guan Hong TuoInstruments Co., Ltd

Китайская производственная компания, специализируется на производстве лабораторного оборудования, в том числе вискозиметров марки KREBS-STORMER с цифровым дисплеем.

Shantou Jielian Tech Co., Ltd

Китайский производитель ротационных цифровых вискозиметров с

NANBEI INTERNATIONAL GROUP LIMITED

Научно-исследовательская, опытно-конструкторская производственная китайская компания, выпускающая лабораторное оборудование, в том числе роторные вискозиметры марки NDJ.

Одна из лидирующих компаний по производству лабораторного оборудования и измерительных приборов из Японии. Имеет дочерние предприятия в России, США, Китае и многих других странах мира. Выпускает вибрационные вискозиметры серии SV и SV-A с вращающимся шпинделем.

Российская производственная компания, производитель капиллярных вискозиметров серии ВПЖ.

Ведущий поставщик вискозиметров для испытания буровых растворов выпускает серию полнофункциональных цилиндрических коаксиальных ротационных вискозиметров марки FANN.

Российский производитель и поставщик вискозиметров, предназначенных для измерения вязкости буровых растворов.

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Егор Новиков
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий