Учебное пособие санкт-петербург




Скачать 310.84 Kb.
НазваниеУчебное пособие санкт-петербург
страница1/3
Дата конвертации02.03.2013
Размер310.84 Kb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ПЕТРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

МИНИСТЕРСТВА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ»


И. В. СТЕПАНОВА А. В. ТАРАСОВ


ВЯЗКОСТЬ ЖИДКИХ СРЕД


Учебное пособие


САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2006


Вязкость жидких сред: Учебное пособие / И. В. Степанова, А. В. Тарасов. – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2006. - с., рисунков 6, таблиц 1.


Рассмотрены теоретические основы вязкости как важнейшей характеристики жидкостей, используемых в качестве топлив, смазочных материалов железнодорожным транспортом и другими отраслями техники и промышленности. Дано описание капиллярного метода определения вязкости нефтепродуктов и других жидкостей.

Предназначено для студентов и преподавателей дисциплины «Топливо, вода и смазки на железнодорожном транспорте» и может быть использовано сотрудниками химических лабораторий.


Рецензент


© И. В. Степанова, А. В. Тарасов, 2006

© Петербургский государственный

университет путей сообщения 2006


« Та связь, которая (уже отчасти

подмеченная) существует между вязко-

стью и другими физическими и химичес-

кими свойствами, заставляет считать,

что величина внутреннего трения зай

мет важную роль в молекулярной меха-

нике».

Д. И. Менделеев

  1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ


1.1. Общие положения

Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидких, а также газообразных и твердых тел оказывать сопротивление их течению – перемещению одного слоя тела относительно другого под действием внешних сил. Явление вязкости заключается в том, что возникшее в жидкости движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается. Если время прекращения такого движения очень мало, то говорят, что вязкость жидкости очень большая и наоборот.

Вязкость является одной из важнейших характеристик смазочных материалов и других нефтепродуктов, так как зависит от их фракционного и химического состава. Нефтепродукты более легкого фракционного состава имеют меньшую вязкость по сравнению с нефтепродуктами более тяжелых фракций. Вязкость нефтепродуктов из нефтей парафинового основания ниже, чем из нефтей ароматического и нафтенового оснований.

Процессы молекулярного переноса в жидкостях (и газах) – вязкость (внутреннее трение), плотность, теплопроводность и диффузия – имеют важное значение для правильного объяснения целого ряда физических и физико-химических явлений, а также для решения многих технологических и конструктивных задач, связанных с переносом массы, количества движения и тепла.

Вязкость имеет большое значение при наливе и сливе различных жидкостей при перевозке железнодорожным транспортом, а также при перекачке их из одной емкости в другую. Вязкость и текучесть оказывают влияние при тушении пожаров и ликвидации аварийных ситуаций с легковоспламеняющимися опасными грузами. Значения вязкости жидкостей обусловливают мощность мешалок, насосов и т. п., оказывая влияние на скорость тепло- и массопереноса.

Вязкость влияет на качество распыливания топлива форсункой; от нее зависит нормальная работа топливоподающей аппаратуры (топливопроводов, насосов, форсунок) и фильтров.

Температурная зависимость вязкости – важнейшая характеристика нефтепродуктов, особенно смазочных материалов. Вязкость имеет большое значение в различных областях технологии и в природных, особенно биологических процессах, определяя скорость течения жидкостей и газов и сопротивление, оказываемое ими движению взвешенных частиц. Вязкость среды определяет скорость диффузии1 в ней растворенных веществ. Теплопередача в жидкостях и газах в определенных условиях характеризуется их вязкостью. Изменения вязкости сказываются на скорости химических реакций, протекающих в различных химических и биологических системах, в частности связанных с жизнедеятельностью клетки.

И. Ньютон (1686) впервые высказал в виде гипотезы закон для внутреннего трения. “Сопротивление, возникшее вследствие недос-

татка скольжения между частицами жидкости, при прочих равных условиях пропорционально скорости, с которой частицы отклоняются одна от другой».

В реальных жидкостях молекулы расположены относительно друг друга близко и между молекулами существует взаимодействие. Силы притяжения между молекулами жидкости называются когезионными, а силы притяжения, действующие между молекулами жидкости и стенками сосуда, в котором находится жидкость, адгезионными.

Вязкость обратна текучести (подвижности, ползучести) и особенно типична для жидкостей. Вязкость определяется тепловым движением, размерами и формой молекул, их взаиморасположением («упаковкой») и действием молекулярных сил.

Количественная характеристика вязкости может быть рассмотрена на следующем примере. Слой жидкости толщиной y0 находится между двумя одинаковыми плоскопараллельными пластинами (рис 1).




Рис.1. Схема установившегося развития однородного сдвига (ламинарного течения) в слое жидкости.

Нижняя пластина А удерживается неподвижно, а верхняя В под действием внешней касательной силы F сдвигается параллельно нижней в направлении X. Вследствие вязкого сопротивления слоя жидкости между пластинами этот сдвиг X0 будет развиваться во времени t с некоторой постоянной скоростью V0:

.

Разделяя весь слой жидкости на ряд тонких параллельных слоев, находим линейное распределение скоростей этих слоев по оси Y: верхний слой жидкости, примыкающий к пластине В, вследствие адгезии, смещается вместе с ней, увлекая за собой нижележащий слой, движущийся с меньшей скоростью. Этот слой, в свою очередь, увлекает следующий и, с другой стороны, тормозится им.

В итоге внешняя действующая сила F, приложенная к верхнему слою, уравновешивается силой вязкого сопротивления (внутреннего трения), и течение каждого слоя проходит с постоянной по времени скоростью (установившееся стационарное течение), но убывающей линейно от слоя к слою от наибольшей величины V0 у пластины В к V = 0 у неподвижной пластины А.

Работа внешней силы F, уравновешивающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту. Такое ламинарное, то есть послойное течение, при котором слои жидкости движутся относительно друг друга без перемешивания (в простейшем случае – однородный сдвиг, рис. 1), характеризуется градиентом скорости G:

,


(как разность скоростей двух параллельных слоев, расстояние между которыми равно единице).

G равна скорости относительного сдвига:

,

где – вязкая (остаточная) деформация относительного сдвига в слое жидкости.


Вязкость определяется по Ньютону как коэффициент пропорциональности η (называемый иногда коэффициентом вязкости) в выражении, связывающем силу F, приложенную к единице площади сдвига (напряжение сдвига P), с градиентом скорости:

. (1)

Отсюда вязкость η = определяется как величина касательной силы, которая должна быть приложена к единице площади сдвигаемого слоя, чтобы поддерживать в этом слое стационарное ламинарное течение с постоянным градиентом скорости, равным единице.

По закону вязкости Ньютона внутреннее трение является константой независимо от напряжения или скорости сдвига. Этому закону подчиняются большинство обычных растворителей, минеральные масла, синтетические основные масла, полностью синтетические однокомпонентные масла. Они называются ньютоновскими средами (жидкостями)2.

В области ламинарного течения ньютоновских сред как жидкостей, так и газов, то есть при достаточно малых скоростях, или, в более общем виде, при значениях числа (критерия) Рейнолдса,3 меньших критического, вязкость зависит от:

  • напряжения сдвига;

  • толщины слоя вязкой среды;

  • длины, ширины и площади пластинок, если размеры пластин достаточно велики, чтобы краевыми эффектами можно было пренебречь.

В общем случае пространственного течения для ньютоновских жидкостей имеет место линейная зависимость между тензорами напряжений и скоростей деформации. Жидкости, для которых указанные зависимости не выполняются, то есть не являются линейными, называются неньютоновскими.



При течении вязкой жидкости по длинной трубе имеет место параболическое распределение скоростей в плоскости осевого сечения (рис. 2).




Рис. 2. Течение вязкой жидкости в трубе.


Это более сложный случай вязкого стационарного течения, когда градиент скорости не постоянен по сечению; он наибольший у стенок и равен нулю по оси трубки. При этом вязкость определяется по формуле Пуазейля-Гагена, выводимой интегрированием дифференциального определения вязкости по Ньютону (1):

, (2)

где P – разность давлений на концах трубки, по которой происходит течение жидкости;

R – радиус трубки;

L – длина трубки;

Q – объем жидкости, протекающий за единицу времени.

При возрастании скорости потока и радиуса трубки, а также в условиях его сложной геометрии (резкой искривленности) ламинарное течение все в большей степени превращается в турбулентное (вихревое). Между соседними слоями происходит обмен веществом (перемешивание) и измеряемая в этих условиях вязкость теряет свое значение физико-химической константы жидкости. При этом сопротивление потока в большей мере определяется плотностью среды, чем ее вязкостью.

Важное значение имеет характер изменения вязкости нефтепродуктов с температурой (рис. 3).

Положительным качеством нефтепродукта является пологая вязкостно-температурная кривая.



Рис.3. Изменение вязкости некоторых смазочных масел в зависимости от температуры.


Существует ряд эмпирических формул, выражающих зависимость вязкости от температуры, например:

lg lg(η + 0,8) = A – B∙lgT,

где η – кинематическая вязкость;

T – абсолютная температура;

A и B – постоянные.

Степень пологости температурной кривой вязкости для масел приближенно оценивается величиной отношения η50 : η 100 или

η0 : η100, либо величиной температурного коэффициента вязкости (ТКВ):



где η0 , η50, , η100 – кинематическая вязкость при различных температурах.

Для этой же цели широко применяется индекс вязкости по Дину и Дэвису (ИВ), вычисляемый по формуле:

,

где Su – вязкость в сек. Сайболта-Универсал при 100°F (38,3°С) масла с наиболее крутой кривой вязкости (масла серии L);

H – то же для масла с наиболее пологой кривой вязкости (масла серии H);

N – то же для исследуемого масла.

Следует иметь в виду, что все три вида масла должны обладать одинаковой вязкостью при 210°F (98,8°С).

Для характеристики масел применяется также вязкостно-весовая константа, отражающая связь между плотностью и вязкостью, с одной стороны, и химическим составом и практической ценностью смазочных масел – с другой.

В ряде случаев учитывают зависимость вязкости нефтепродуктов от давления, которая приближенно выражается формулой:

υp = υ0∙аp,

где υp и υ0 – динамическая вязкость масла при давлении p, кг/см2 и при атмосферном давлении;

а – постоянная величина, равная 1,002…1,004.

В представлениях теории свободного объема4 установлено количественное соответствие между увеличением свободного объема жидкости и ее вязкости с ростом температуры.

Вязкость жидкостей с повышением температуры уменьшается благодаря снижению энергии межмолекулярного взаимодействия, препятствующего перемещению молекул.

С повышением температуры вязкость газов увеличивается, поскольку она обусловлена интенсивностью теплового движения. Например, вязкость гелия при приближении температуры к °К становится исчезающе малой (так называемое сверхтекучее состояние).

С увеличением давления вязкость всегда возрастает. При течении жидкости в цилиндрическом канале из-за тормозящего действия вязкого сопротивления устанавливается распределение скоростей по радиусу канала: у стенки канала она равна нулю, а в центре максимальна. При ламинарном течении ньютоновской жидкости профиль скоростей оказывается параболическим (рис 2) и вязкость выражается через перепад давления P, требуемый для создания определенного объемного расхода Q (формула Гагена-Пуазейля, стр. 9).

Для многих расплавов и растворов полимеров и коллоидных систем, в отличие от низкомолекулярных жидкостей, вязкость зависит от режима течения (то есть от скорости деформации γ или от касательного напряжения τ:

,

где V скорость движения жидкости;

H – расстояние между пластинами, где движется жидкость.

,


где F – сила, действующая на жидкость;

S – площадь пластин, между которыми движется жидкость.

При характеристике растворов и расплавов полимеров необходимо указывать условия измерения вязкости (значения скорости деформации γ и величину касательного напряжения τ).

  1   2   3

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург
Учебное пособие предназначено для студентов II курса химических специальностей

Учебное пособие санкт-петербург iconНовые поступления в библиотеку балтийского русского института
Федералогия: учебное пособие / Р. Г. Абдулатипов. Санкт-Петербург: Питер, 2004. 320 с.: ил. (Учебное пособие)

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург
Башмаков, В. И. Химия элементов. Часть I. S-элементы [Текст]: учебное пособие / С. А. Симанова, Т. Б. Пахомова, Е. А. Александрова....

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург
Учебное пособие соответствует дисциплинам опд ф10 «Сети ЭВМ и телекоммуникации» государственного общеобразовательного стандарта направления...

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Санкт Петербург 2002 удк 629. 76
Керножицкий В. А., Бызов Л. Н. Надежность. Лабораторный практикум: Учебное пособие. Балт гос тех ун-т, спб., 2002. – с

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2001 2 удк 532. 517. 4 Б 43 Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И. А. Белов, С. А
Дан структурный анализ одного из важнейших направлений в исследовании турбулентных те

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2008 Авторы : Кокин В. Г., кандидат военных наук, доцент; Абликов В. И. Под общей редакцией
Учебное пособие предназначено для должностных лиц и специалистов го и рсчс организаций, преподавателей умц гочс и пб

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2007 Научный редактор: Шипицына Л. М. д б. н., проф., заслуж деят науки рф
Профилактика вич-инфекции у несовершеннолетних в образовательной среде: Учебное пособие / Под ред. Л. М. Шипицыной. – Спб, 2007

Учебное пособие санкт-петербург iconТехника и технические науки в целом 22. 30. 10я73 Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника : учеб пособие для вузов / К. К. Ким [и др.]; под ред. К. К. Кима. Санкт-Петербург и др. Питер, 2006. 367 с. (Учебное пособие)
Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника : учеб пособие для вузов / К. К. Ким [и др.]; под ред. К....

Учебное пособие санкт-петербург iconУчебное пособие для студентов гуманитарных факультетов Санкт-Петербург


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница