Спецификация моторных масел по SAE (по показателю вязкости). Обзор методов измерения вязкости. Публикация компании Rheotek, перевод с английского Абсолютная и кинематическая вязкость
Вода H 2 O представляет собой ньютоновскую жидкость и ее течение описывается законом вязкого трения Ньютона, в уравнении которого коэффициент пропорциональности называется коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.
Вязкость воды зависит от температуры. Кинематическая вязкость воды равна 1,006·10 -6 м 2 /с при температуре 20°С.
В таблице представлены значения кинематической вязкости воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.). Значения вязкости даны в интервале температуры от 0 до 300°С. При температуре воды свыше 100°С, ее кинематическая вязкость указана в таблице на линии насыщения.
Кинематическая вязкость воды изменяет свою величину при нагревании и охлаждении. По данным таблицы видно, что с ростом температуры воды ее кинематическая вязкость уменьшается . Если сравнить вязкость воды при различных температурах, например при 0 и 300°С, то очевидно ее уменьшение примерно в 14 раз. То есть вода при нагревании становится менее вязкой, а высокая вязкость воды достигается если воду максимально охладить.
Значения коэффициента кинематической вязкости при различных температурах необходимы для вычисления величины числа Рейнольдса, которое соответствует определенному режиму течения жидкости или газа.
Если сравнить вязкость воды с вязкостью других ньютоновских жидкостей, например с , или с , то вода будет иметь меньшую вязкость. Менее вязкими, по сравнению с водой, являются органические жидкости – , бензол и сжиженные газы, например такие, как .
Динамическая вязкость воды в зависимости от температуры
Кинематическая и динамическая вязкость связаны между собой через значение плотности. Если кинематическую вязкость умножить на плотность, то получим величину коэффициента динамической вязкости (или просто динамическую вязкость).
Динамическая вязкость воды при температуре 20°С равна 1004·10 -6 Па·с. В таблице даны значения коэффициента динамической вязкости воды в зависимости от температуры при нормальном атмосферном давлении (760 мм.рт.ст.). Вязкость в таблице указана при температуре от 0 до 300°С.
Динамическая вязкость при нагревании воды уменьшается , вода становится менее вязкой и при достижении
Воспользуйтесь удобным конвертером перевода кинематической вязкости в динамическую онлайн. Поскольку соотношение кинематической и динамической вязкости зависит от плотности, то необходимо ее также указывать при расчете в калькуляторах ниже.
Плотность и вязкость следует указывать при одинаковой температуре.
Если задать плотность при температуре отличной от температуры вязкости повлечет некоторую ошибку, степень которой будет зависеть от влияния температуры на изменение плотности для данного вещества.
Калькулятор перевода кинематической вязкости в динамическую
Конвертер позволяет перевести вязкость с размерностью в сантистоксах [сСт] в сантипуазы [сП]
. Обратите внимание, что численные значения величин с размерностями [мм2/с] и [сСт]
для кинематической вязкости и [сП] и [мПа*с]
для динамической — равны между собой и не требуют дополнительного перевода. Для других размерностей — воспользуйтесь таблицами ниже.
Измерение вязкости нефтепродуктов
Абсолютная и кинематическая вязкость
При воздействии на жидкость внешних сил она сопротивляется потоку благодаря
внутреннему трению. Вязкость - мера этого внутреннего трения.
Кинематическая вязкость - мера потока имеющей сопротивление жидкости под
влиянием силы тяжести. Когда две жидкости равного объема помещены в идентичные
капиллярные вискозиметры и двигаются самотеком, вязкой жидкости требуется
больше времени для протекания через капилляр. Если одной жидкости требуется
для вытекания 200 секунд,а другой - 400 секунд, вторая жидкость в два
раза более вязкая, чем первая по шкале кинематической вязкости.
Абсолютная вязкость, иногда называемая динамической или простой вязкость,
является произведением кинематической вязкости и плотности жидкости:
Абсолютная вязкость = Кинематическая вязкость * Плотность
Размерность кинематической вязкости - L 2 /T, где L - длина, и T - время.
Обычно используется сантистокс (cSt). ЕДИНИЦА СИ кинематической вязкости
- mm 2 /s, что равно 1 cSt. Абсолютная вязкость выражается в сантипуазах
(сПуаз). ЕДИНИЦА СИ абсолютной вязкости - миллипаскаль-секунда (mPa-s),
где 1 сПуаз = 1 mPa-s.
Другие общепринятые, но устаревшие единицы кинематической вязкости - Универсальные
Секунды Сейболта (SUS) и Фурановые Секунды Сейболта (SFS). Эти единицы
могут быть преобразованы в сантистоксы согласно инструкциям, приведенным
в ASTM D 2161.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Зависимость, в которой вязкость является константой независимо от напряжения
или скорости сдвига, называется законом вязкости Ньютона. Закону вязкости
Ньютона подчиняются большинство обычных растворителей, минеральные основные
масла, синтетические основные масла, полностью синтетические однокомпонентные
масла. Они называются ньютоновскими жидкостями.
Неньютоновские - жидкости могут быть определены как те, для которых вязкость
не константа, а изменяется в зависимости от скорости сдвига или напряжения
сдвига, при котором измеряется. Большинство современных моторных масел
- обладают свойством мультивязкости, и изготовлены с применением высокомолекулярных
полимеров, называемыми модификаторами вязкости. Вязкость таких масел уменьшается
с увеличением в скорости сдвига. Они называются «жидкостями, разжижающимися
при сдвиге» (shear-thinning)становящимися тоньше сдвигом" жидкостями(газами).
Примерами других неньютоновских жидкостей являются краска для потолков,
притирочная паста и «резиновый» цемент.
Методы измерения вязкости
Вискозиметры можно классифицировать по трем главным типам:
1. Капиллярные вискозиметры измеряют расход фиксированного объема жидкости
через малое отверстие при контролируемой температуре. Скорость сдвига
можно измерить примерно от нуля до 106 с -1 , заменяя капиллярный диаметр
и приложенное давление. Типы капиллярных вискозиметров и их режимы работы:
Стеклянный капиллярный вискозиметр (ASTM D 445) - Жидкость проходит через
отверстие устанавливаемого - диаметра под влиянием силы тяжести. Скорость
сдвига - меньше чем 10 с -1 . Кинематическая вязкость всех автомобильных
масел измеряется капиллярными вискозиметрами.
Капиллярный вискозиметр высокого давления (ASTM D 4624 и D 5481) -Фиксированный
объем жидкости выдавливается через стеклянный капилляр диаметра под действием
приложенного давления газа. Скорость сдвига может быть изменена до 106
с -1 . Эта методика обычно используется, чтобы моделировать вязкость моторных
масел в рабочих коренных подшипниках. Эта вязкость называется, вязкостью
при высокой температуре и высоком сдвиге (HTHS) и измеряется при 150°C
и 106 с -1 . HTHS вязкость измеряется также имитатором конического подшипника,
ASTM D 4683 (см. ниже).
2. Ротационные вискозиметры используют для измерения сопротивления жидкости
течению вращающий момент на вращающемся вале. К ротационным вискозиметрам
относятся имитатор холодной прокрутки двигателя (CCS), миниротационный
вискозиметр (MRV), вискозиметр Брукфильда и имитатор конического подшипника
(TBS). Скорость сдвига может быть изменена за счет изменения габаритов
ротора, зазора между ротором и стенкой статора и частоты вращения.
Имитатор холодной прокрутки (ASTM D 5293) - CCS измеряет кажущуюся вязкость
в диапазоне от 500 до 200000 сПуаз. Скорость сдвига располагается между
104 и 105 c -1 . Нормальный диапазон рабочей температуры - от 0 до -40°C.
CCS показал превосходную корреляцию с пуском двигателя при низких температурах.
Классификация вязкости SAE J300 определяет низкотемпературную вязкостную
эффективность моторных масел пределами по CCS и MRV.
Минироторный вискозиметр (ASTM D 4684) - тест MRV, который связан с механизмом
прокачиваемости масла, является измерением при низкой скорости сдвига.
Главная особенность метода - медленная скорость охлаждения образца. Образец
подготавливается так, чтобы иметь определенную тепловую предысторию, которая
включает нагревание, медленно охлаждение, и циклы пропитки. MRV измеряет
кажущееся остаточное напряжение, которое, если большее чем пороговое значение,
указывает на потенциальную проблему отказа прокачивания, связанную с проникновением
воздуха. Выше некоторой вязкости (в настоящее время определенной как 60000
сПуаз по SAE J 300), масло может быть вызвать отказ прокачиваемости по
механизму, называемому "эффект ограниченного потока". Масло
SAE 10W, например, должно иметь максимальную вязкость 60000 сПуаз при
-30°C без остаточного напряжения. С помощью этого метода измеряют также
кажущуюся вязкость при скоростях сдвига от 1 до 50 c -1 .
Вискозиметр Брукфильда - определяет вязкость в широких пределах (от 1
до 105 Пуаз) при низкой скорости сдвига (до 102 c -1).
ASTM D 2983 используется прежде всего для определения низкотемпературной
вязкости автомобильных трансмиссионных масел, масел для автоматических
трансмиссий гидравлических и тракторных масел. Температура - испытаний
находится в диапазоне от -5 до -40°C.
ASTM D 5133, метод сканирования Брукфильда, измеряет вязкость образца
по Брукфильду, при охлаждении с постоянной скоростью 1°C/час. Подобно
MRV, метод ASTM D 5133 предназначен для определения прокачиваемости масла
при низких температурах. С помощью этого испытания определяется точка
структурообразования, определенная как температура, при которой образец
достигает вязкости 30,000 сПуаз. Определяется также индекс(показатель)
структурообразования как самая большая скорость увеличения вязкости от
-5°C к самой низкой испытательной температуре. Этот метод находит применение
для моторных масел, и требуется согласно ILSAC GF-2.
Имитатор конического подшипника (ASTM D 4683) - эта методика также позволяет
измерять вязкость моторных масел при высокой температуре и высокой скорости
сдвига (см. Капиллярный Вискозиметр высокого давления). Очень высокие
скорости сдвига получаются за счет чрезвычайно малого зазора между ротором
и стенкой статора.
3. Разнообразные приборы используют множество других принципов; например,
время падения стального шарика или иглы в жидкости, сопротивление вибрации
зонда, и давления, прилагаемого к зонду текущей жидкостью.
Индекс вязкости
Индекс вязкости (ИВ) - эмпирическое число, указывающее степень изменения
в вязкости масла в пределах данного диапазона температур. Высокий ИВ означает
относительно небольшое изменение вязкости с температурой, а низкий ИВ
означает большое изменение вязкости с температурой. Большинство минеральных
основных масел имеет ИВ между 0 и 110, но ИВ полимерсодержащего масла
(multigrage) часто превышает 110.
Для определения индекса вязкости требуется определить кинематическую вязкость
при 40°C и 100°C. После этого ИВ определяют из таблиц по ASTM D 2270 или
ASTM D 39B. Так как ИВ определяется из вязкости при 40°C и 100°C, он не
связан с низкотемпературной или HTHS вязкостью. Эти значения получают
с помощью CCS, MRV, низкотемпературного вискозиметра Брукфильда и вискозиметров
высокой скорости сдвига.
SAE не использует ИВ, для классификации моторных масел начиная с 1967,
потому что этот термин технически устарел. Однако, методика Американского
нефтяного института API 1509 описывает систему классификации основных
масел, используя ИВ как один из нескольких параметров, чтобы обеспечить
принципы взаимозаменяемости масел и универсализацию шкалы вязкости.
Основные типы модификаторов вязкости
Химическая структура и размер молекул - наиболее важные элементы молекулярной
архитектуры модификаторов вязкости. Имеется множество типов модификаторов
вязкости, выбор зависит от специфических обстоятельств.
Все выпускаемые сегодня модификаторы вязкости, состоят из алифатических
углеродных цепочек. Главные структурные различия находятся в боковых группах,
которые отличаются и химически, и по размеру. Эти изменения в химической
структуре обеспечивают различные свойства модификаторов вязкости типа
масел, такие как способность к загустеванию, зависимость вязкости от температуры,
окислительная стабильность и характеристики экономии топлива.
Полиизобутилен (PIB или полибутен) - преобладающие модификаторы вязкости
в конце 1950-ых, с тех пор PIB модификаторы были заменены модификаторами
других типов, потому что они обычно не обеспечивают удовлетворительную
работу при низких температурах и работу дизельных двигателей. Однако,
низкмолекулярные PIB все еще широко используется в автомобильных трансмиссионных
маслах.
Полиметилакрилат (PMA) - PMA модификаторы вязкости содержат алкильные
боковые цепочки, которые препятствуют образованию кристаллов воска в масле,
таким образом обеспечивая превосходные свойства при низкой температуре.
Олефиновые сополимеры (OCP) - OCP модификаторы вязкости широко используются
для моторных масел благодаря их низкой стоимости и удовлетворительной
моторной эффективности. Выпускаются различные OCP, отличные главным образом
по молекулярному весу и отношению этилена к пропилену.
Сложные эфиры сополимера стирола и малеинового ангидрида (стироловые эфиры)
- стироловые эфиры - мультифункциональные модификаторы вязкости высокой
эффективности. Комбинация различных алкильных групп придает маслам, содержащим
такие добавки, превосходные свойства при низкой температуре. Стирольные
модификаторы вязкости использовались в маслах для энергосберегающих двигателей
и по-прежнему используются в трансмиссионных маслах для автоматических
коробок передач.
Насыщенные стиролдиеновые сополимеры - модификаторы на основе гидрогенизированныз
сополимеров стирола с изопреном или бутадиеном способствуют экономии топлива,
хорошими характеристиками вязкости при низких температурах и выскокотемпературными
свойствами.
Насыщенные радиальные полистиролы (STAR) - модификаторы на основе гидрогенизированных
радиальных полистирольных модификаторов вязкости показывают хорошее сопротивление
сдвигу при относительно низкой стоимости обработки, по сравнению с другими
типами модификаторов вязкости. Их свойства при низкой температуре подобны
свойствам модификаторов OCP.
Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуатационные свойства котельных и дизельных топлив, нефтяных масел, ряда других нефтепродуктов. По значению вязкости судят о возможности распыления и прокачиваемости нефти и нефтепродуктов.
Различают динамическую, кинематическую, условную и эффективную (структурную) вязкость.
Динамической (абсолютной) вязкостью [μ ], или внутренним трением, называют свойства реальных жидкостей оказывать сопротивление сдвигающим касательным усилиям. Очевидно, это свойство проявляется при движении жидкости. Динамическая вязкость в системе СИ измеряется в [Н·с/м 2 ]. Это сопротивление, которое оказывает жидкость при относительном перемещении двух ее слоев поверхностью 1 м 2 , находящихся на расстоянии 1 м друг от друга и перемещающихся под действием внешней силы в 1 Н со скоростью 1 м/с. Учитывая, что 1 Н/м 2 = 1 Па, динамическую вязкость часто выражают в [Па·с] или [мПа·с]. В системе СГС (CGS) размерность динамической вязкости - [дин·с/м 2 ]. Эта единица называется пуазом (1 П = 0,1 Па·с).
Переводные множители для расчета динамической [μ ] вязкости.
| Единицы | Микропуаз (мкП) | Сантипуаз (сП) | Пуаз ([г/см·с]) | Па·с ([кг/м·с]) | кг/(м·ч) | кг·с/м 2 |
| Микропуаз (мкП) | 1 | 10 -4 | 10 -6 | 10 7 | 3,6·10 -4 | 1,02·10 -8 |
| Сантипуаз (сП) | 10 4 | 1 | 10 -2 | 10 -3 | 3,6 | 1,02·10 -4 |
| Пуаз ([г/см·с]) | 10 6 | 10 2 | 1 | 10 3 | 3,6·10 2 | 1,02·10 -2 |
| Па·с ([кг/м·с]) | 10 7 | 10 3 | 10 | 1 3 | 3,6·10 3 | 1,02·10 -1 |
| кг/(м·ч) | 2,78·10 3 | 2,78·10 -1 | 2,78·10 -3 | 2,78·10 -4 | 1 | 2,84·10 -3 |
| кг·с/м 2 | 9,81·10 7 | 9,81·10 3 | 9,81·10 2 | 9,81·10 1 | 3,53·10 4 | 1 |
Кинематической вязкостью [ν ] называется величина, равная отношению динамической вязкости жидкости [μ ] к ее плотности [ρ ] при той же температуре: ν = μ/ρ. Единицей кинематической вязкости является [м 2 /с] - кинематическая вязкость такой жидкости, динамическая вязкость которой равна 1 Н·с/м 2 и плотность 1 кг/м 3 (Н = кг·м/с 2). В системе СГС (CGS) кинематическая вязкость выражается в [см 2 /с]. Эта единица называется стоксом (1 Ст = 10 -4 м 2 /с; 1 сСт = 1 мм 2 /с).
Переводные множители для расчета кинематической [ν ] вязкости.
| Единицы | мм 2 /с (сСт) | см 2 /с (Ст) | м 2 /с | м 2 /ч |
| мм 2 /с (сСт) | 1 | 10 -2 | 10 -6 | 3,6·10 -3 |
| см 2 /с (Ст) | 10 2 | 1 | 10 -4 | 0,36 |
| м 2 /с | 10 6 | 10 4 | 1 | 3,6·10 3 |
| м 2 /ч | 2,78·10 2 | 2,78 | 2,78·10 4 | 1 |
Нефти и нефтепродукты часто характеризуются условной вязкостью , за которую принимается отношение времени истечения через калиброванное отверстие стандартного вискозиметра 200 мл нефтепродукта при определенной температуре [t ] ко времени истечения 200 мл дистиллированной воды при температуре 20°С. Условная вязкость при температуре [t ] обозначается знаком ВУ, и выражается числом условных градусов.
Условная вязкость измеряется в градусах ВУ (°ВУ) (если испытание проводится в стандартном вискозиметре по ГОСТ 6258-85), секундах Сейболта и секундах Редвуда (если испытание проводится на вискозиметрах Сейболта и Редвуда).
Перевести вязкость из одной системы в другую можно при помощи номограммы .
В нефтяных дисперсных системах в определенных условиях в отличие от ньютоновских жидкостей вязкость является переменной величиной, зависящей от градиента скорости сдвига. В этих случаях нефти и нефтепродукты характеризуются эффективной или структурной вязкостью:
Для углеводородов вязкость существенно зависит от их химического состава: она повышается с увеличением молекулярной массы и температуры кипения. Наличие боковых разветвлений в молекулах алканов и нафтенов и увеличение числа циклов также повышают вязкость. Для различных групп углеводородов вязкость растет в ряду алканы - арены - цикланы.
Для определения вязкости используют специальные стандартные приборы - вискозиметры, различающиеся по принципу действия.
Кинематическая вязкость определяется для относительно маловязких светлых нефтепродуктов и масел с помощью капиллярных вискозиметров, действие которых основано на текучести жидкости через капилляр по ГОСТ 33-2000 и ГОСТ 1929-87 (вискозиметр типа ВПЖ, Пинкевича и др.).
Для вязких нефтепродуктов измеряется условная вязкость в вискозиметрах типа ВУ, Энглера и др. Истечение жидкости в этих вискозиметрах происходит через калиброванное отверстие по ГОСТ 6258-85.
Между величинами условной °ВУ и кинематической вязкости существует эмпирическая зависимость:
Вязкость наиболее вязких, структурированных нефтепродуктов определяется на ротационном вискозиметре по ГОСТ 1929-87. Метод основан на измерении усилия, необходимого для вращения внутреннего цилиндра относительно наружного при заполнении пространства между ними испытуемой жидкостью при температуре t .
Кроме стандартных методов определения вязкости иногда в исследовательских работах используются нестандартные методы, основанные на измерении вязкости по времени падения калибровочного шарика между метками или по времени затухания колебаний твердого тела в испытуемой жидкости (вискозиметры Гепплера, Гурвича и др.).
Во всех описанных стандартных методах вязкость определяют при строго постоянной температуре, поскольку с ее изменением вязкость существенно меняется.
Зависимость вязкости от температуры
Зависимость вязкости нефтепродуктов от температуры является очень важной характеристикой как в технологии переработки нефти (перекачка, теплообмен, отстой и т. д.), так и при применении товарных нефтепродуктов (слив, перекачка, фильтрование, смазка трущихся поверхностей и т. д.).
С понижением температуры вязкость их возрастает. На рисунке приведены кривые изменения вязкости в зависимости от температуры для различных смазочных масел.
Общим для всех образцов масел является наличие областей температур, в которых наступает резкое повышение вязкости.
Существует много различных формул для расчета вязкости в зависимости от температуры, но наиболее употребляемой является эмпирическая формула Вальтера:
Дважды логарифмируя это выражение, получаем:
По данному уравнению Е. Г. Семенидо была составлена номограмма на оси абсцисс которой для удобства пользования отложена температура, а на оси ординат - вязкость.
По номограмме можно найти вязкость нефтепродукта при любой заданной температуре, если известна его вязкость при двух других температурах. В этом случае значение известных вязкостей соединяют прямой и продолжают ее до пересечения с линией температуры. Точка пересечения с ней отвечает искомой вязкости. Номограмма пригодна для определения вязкости всех видов жидких нефтепродуктов.
Для нефтяных смазочных масел очень важно при эксплуатации, чтобы вязкость как можно меньше зависела от температуры, поскольку это обеспечивает хорошие смазывающие свойства масла в широком интервале температур, т. е. в соответствии с формулой Вальтера это означает, что для смазочных масел, чем ниже коэффициент В, тем выше качество масла. Это свойство масел называется индексом вязкости , который является функцией химического состава масла. Для различных углеводородов по-разному меняется вязкость от температуры. Наиболее крутая зависимость (большая величина В) для ароматических углеводородов, а наименьшая - для алканов. Нафтеновые углеводороды в этом отношении близки к алканам.
Существуют различные методы определения индекса вязкости (ИВ).
В России ИВ определяют по двум значениям кинематической вязкости при 50 и 100°С (или при 40 и 100°С - по специальной таблице Госкомитета стандартов).
При паспортизации масел ИВ рассчитывают по ГОСТ 25371-97, который предусматривает определение этой величины по вязкости при 40 и 100°С. По этому методу согласно ГОСТ (для масел с ИВ меньше 100) индекс вязкости определяется формулой:
Для всех масел с ν 100 ν, ν 1 и ν 3 ) определяют по таблице ГОСТ 25371-97 на основе ν 40 и ν 100 данного масла. Если масло более вязкое (ν 100 > 70 мм 2 /с), то величины, входящие в формулу, определяют по специальным формулам, приведенным в стандарте.
Значительно проще определять индекс вязкости по номограммам .
Еще более удобная номограмма для нахождения индекса вязкости разработана Г. В. Виноградовым. Определение ИВ сводится к соединению прямыми линиями известных величин вязкости при двух температурах. Точка пересечения этих линий соответствует искомому индексу вязкости.
Индекс вязкости - общепринятая величина, входящая в стандарты на масла во всех странах мира. Недостатком показателя индекса вязкости является то, что он характеризует поведение масла лишь в интервале температур от 37,8 до 98,8°С.
Многими исследователями было подмечено, что плотность и вязкость смазочных масел до некоторой степени отражают их углеводородный состав. Был предложен соответствующий показатель, связывающий плотность и вязкость масел и названный вязкостно-массовой константой (ВМК). Вязкостно-массовая константа может быть вычислена по формуле Ю. А. Пинкевича:
В зависимости от химического состава масла ВМК его может быть от 0,75 до 0,90, причем, чем выше ВМК масла, тем ниже его индекс вязкости.
В области низких температур смазочные масла приобретают структуру, которая характеризуется пределом текучести, пластичности, тиксотропностью или аномалией вязкости, свойственными дисперсным системам. Результаты определения вязкости таких масел зависят от их предварительного механического перемешивания, а также от скорости истечения или от обоих факторов одновременно. Структурированные масла, так же как и другие структурированные нефтяные системы, не подчиняются закону течения ньютоновских жидкостей, согласно которому изменение вязкости должно зависеть только от температуры.
Масло с неразрушенной структурой имеет значительно большую вязкость, чем после ее разрушения. Если понизить вязкость такого масла путем разрушения структуры, то в спокойном состоянии эта структура восстановится и вязкость примет первоначальное значение. Способность системы самопроизвольно восстанавливать свою структуру называется тиксотропией . С увеличением скорости течения, точнее градиента скорости (участок кривой 1), структура разрушается, в связи с чем вязкость вещества снижается и доходит до определенного минимума. Этот минимум вязкости сохраняется на одном уровне и при последующем возрастании градиента скорости (участок 2) до появления турбулентного потока, после чего вязкость вновь нарастает (участок 3).
Зависимость вязкости от давления
Вязкость жидкостей, в том числе и нефтепродуктов, зависит от внешнего давления. Изменение вязкости масел с повышением давления имеет большое практическое значение, так как в некоторых узлах трения могут возникать высокие давления.
Зависимость вязкости от давления для некоторых масел иллюстрируется кривыми, вязкость масел с повышением давления изменяется по параболе. При давлении Р она может быть выражена формулой:
В нефтяных маслах меньше всего с повышением давления изменяется вязкость парафиновых углеводородов и несколько больше нафтеновых и ароматических. Вязкость высоковязких нефтепродуктов с увеличением давления повышается больше, чем вязкость маловязких. Чем выше температура, тем меньше изменяется вязкость с повышением давления.
При давлениях порядка 500 - 1000 МПа вязкость масел возрастает настолько, что они теряют свойства жидкости и превращаются в пластичную массу.
Для определения вязкости нефтепродуктов при высоком давлении Д.Э.Мапстон предложил формулу:
На основе этого уравнения Д.Э.Мапстоном разработана номограмма , при пользовании которой известные величины, например ν 0 и Р , соединяют прямой линией и отсчет получают на третьей шкале.
Вязкость смесей
При компаундировании масел часто приходится определять вязкость смесей. Как показали опыты, аддитивность свойств проявляется лишь в смесях двух весьма близких по вязкости компонентов. При большой разности вязкостей смешиваемых нефтепродуктов, как правило, вязкость меньше, чем вычисленная по правилу смешения. Приближенно вязкость смеси масел можно рассчитать, если заменить вязкости компонентов их обратной величиной - подвижностью (текучестью) ψ см :
Для определения вязкости смесей можно также пользоваться различными номограммами. Наибольшее применение нашли номограмма ASTM и вискозиграмма Молина-Гурвича . Номограмма ASTM базируется на формуле Вальтера. Номограмма Молина-Гуревича составлена на основании экспериментально найденных вязкостей смеси масел А и В, из которых А обладает вязкостью °ВУ 20 = 1,5, а В - вязкостью °ВУ 20 = 60. Оба масла смешивались в разных соотношениях от 0 до 100% (об.), и вязкость смесей устанавливалась экспериментально. На номограмме нанесены значения вязкости в уел. ед. и в мм 2 /с.
Вязкость газов и нефтяных паров
Вязкость углеводородных газов и нефтяных паров подчиняется иным, чем для жидкостей, закономерностям. С повышением температуры вязкость газов возрастает. Эта закономерность удовлетворительно описывается формулой Сазерленда:
Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
1 паскаль-секунда [Па·с] = 1000 сантипуаз [спз]
Исходная величина
Преобразованная величина
паскаль-секунда килограмм-сила-сек. на кв. метр ньютон-сек. на кв. метр миллиньютон-секунда на кв. метр дина-секунда на кв. сантиметр пуаз эксапуаз петапуаз терапуаз гигапуаз мегапуаз килопуаз гектопуаз декапуаз деципуаз сантипуаз миллипуаз микропуаз нанопуаз пикопуаз фемтопуаз аттопуаз фунт-сила-сек. на кв. дюйм фунт-сила-сек. на кв. фут паундаль-секунда на кв. фут грамм на сантиметр в секунду слаг на фут в секунду фунт на фут в секунду фунт на фут в час рейн
Подробнее о динамической вязкости
Общие сведения
Вязкость - свойство жидкостей противостоять силе, которая вызывает их текучесть. Вязкость подразделяют на два типа - на динамическую и кинематическую . В отличие от кинематической вязкости, динамическая или абсолютная вязкость - независима от плотности жидкости, так как она определяет внутреннее трение в жидкости. Абсолютная вязкость часто связана с напряжением сдвига, то есть напряжением, которое вызвано силой, действующей параллельно поперечному сечению тела, или, в нашем случае, жидкости. Для примера, представим жидкость настолько вязкую, что на протяжении нескольких минут она может держать форму, например куба, практически без изменений. Это может быть, например, густое фруктовое повидло. Положим этот куб на тарелку, и проведем по его верхней стороне рукой параллельно этой стороне. Сила, с которой рука действует на повидло, вызывает напряжение сдвига. Так как повидло очень вязкое, то оно потянется за рукой и куб изменит свою форму. То есть вязкость - это свойство повидла не растекаться, а, наоборот, следовать движению руки.
В основном вязкость - это свойство жидкостей и газов, хотя иногда твердые тела также описывают с помощью вязкости. Особенно это свойство присуще телам, если они подвергаются малому, но постоянному напряжению, и их форма постепенно искажается. Высокая вязкость вещества характеризуется высоким сопротивлением напряжению сдвига.
Когда говорят о вязкости вещества, то обязательно указывают температуру, при которой тело имеет эту вязкость, так как это свойство изменяется в зависимости от температуры. Например, гораздо легче размешать теплый мед, чем холодный, так как он менее вязок. То же происходит и со многими маслами. К примеру, оливковое масло при комнатной температуре совсем не вязкое, но в холодильнике его вязкость заметно увеличивается.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Кода говорят о вязкости, различают два типа жидкостей: ньютоновские и неньютоновские. Вязкость первых не зависит от силы, на них действующей. Со вторыми дело обстоит сложнее, так как в зависимости от величины этой силы и от того, как она приложена, они становятся более или менее вязкими. Хороший пример неньютоновской жидкости - сливки. В обычных условиях они почти совсем не вязкие. Их вязкость не изменяется, даже если приложить к ним небольшую силу, например, медленно мешать их ложкой. Если же увеличить эту силу, например если мешать их миксером, то вязкость также начнет постепенно увеличиваться, пока не станет настолько велика, что сливки смогут держать форму (взбитые сливки). Также ведут себя и сырые яичные белки.
Вязкость в повседневной жизни
Знания о вязкости и о том, как ее измерять и поддерживать, помогают и в медицине, и в технике, и в кулинарии, и в производстве косметики. Косметические компании зарабатывают огромную прибыль на том, что смогли найди идеальный баланс вязкости, который нравится покупателям.
Вязкость и косметика
Чтобы косметика держалась на коже, ее делают вязкой, будь это жидкий тональный крем, блеск для губ, подводка для глаз, тушь для ресниц, лосьоны, или лак для ногтей. Вязкость для каждого изделия подбирается индивидуально, в зависимости от того, для какой цели оно предназначено. Блеск для губ, например, должен быть достаточно вязким, чтобы долго оставаться на губах, но не слишком вязким, иначе тем, кто им пользуется, будет неприятно ощущать на губах что-то липкое. В массовом производстве косметики используют специальные вещества, называемые модификаторами вязкости. В домашней косметике для тех же целей используют разные масла и воск.
В гелях для душа вязкость регулируют для того, чтобы они оставались на теле достаточно долго, чтобы смыть грязь, но не дольше, чем нужно, иначе человек почувствует себя снова грязным. Обычно вязкость готового косметического средства изменяют искусственно, добавляя модификаторы вязкости.
Лосьоны, кремы и мази, лекарственные или косметические, различают по их вязкости. Все три вещества - эмульсии воды и жирных веществ, например масел. Эмульсии состоят из смеси двух или более несмешивающихся друг с другом веществ - в нашем случае, жира и воды. Чем больше в них содержится жира, тем они более вязкие. Чтобы стабилизировать эмульсию, часто используют эмульгаторы. Они нередко присутствуют в косметических средствах. Например, часто используются эмульгирующий воск, и цетилстеариловый эфир. Первый - это воск, обработанный средством, похожим на моющее, а второй - смесь насыщенных жирных кислот. Жирная и водная основы в некоторых лосьонах не смешаны, а разделены, как если бы мы налили в стакан пополам растительного масла и воды, не перемешивая их. Перед употреблением бутылочку с таким лосьоном взбалтывают, создавая кратковременную эмульсию. Позже она возвращается в прежнее состояние. Обычно в таких смесях водная основа менее вязкая, чем жирная основа, поэтому при взбалтывании вязкость всего лосьона становится где-то между водной и жирной основой.
Наибольшая вязкость - у мазей. Вязкость кремов - ниже, а лосьоны - наименее вязкие. Благодаря этому лосьоны ложатся на кожу более тонким слоем, чем мази и кремы, и действуют на кожу освежающе. По сравнению с более вязкой косметикой, их приятно использовать даже летом, хотя втирать их нужно сильнее и чаще приходится наносить повторно, так как они долго не задерживаются на коже. То, что они не так сильно держатся на волосах, позволяет успешно использовать их на голове и в других местах, где есть волосы, особенно как лекарственные средства. Мы часто представляем себе спиртовой раствор, когда слышим слово «лосьон», но на самом деле спирт в них уже почти не используется. Кремы и мази дольше остаются на коже, чем лосьоны, и сильнее ее увлажняют. Их особенно хорошо использовать зимой, когда в воздухе меньше влаги. В холодную погоду, когда кожа сохнет и трескается, очень помогают такие средства как, например, масло для тела - это что-то среднее между мазью и кремом. Мази намного дольше впитываются и после них кожа остается жирной, но они намного дольше остаются на теле. Поэтому их часто используют в медицине.
От того, понравилась ли вязкость косметического средства покупателю, часто зависит, выберет ли он это средство в будущем. Именно поэтому производители косметики тратят много усилий на то, чтобы получить оптимальную вязкость, которая должна понравиться большинству покупателей. Один и тот же производитель часто выпускает продукт для одних и тех же целей, например гель для душа, в разных вариантах и с разной вязкостью, чтобы у покупателей был выбор. Во время производства строго следуют рецепту, чтобы вязкость соответствовала стандартам.
Использование вязкости в кулинарии
Чтобы улучшить оформление блюд, сделать еду более аппетитной и чтобы ее было легче есть, в кулинарии используют вязкие продукты питания. Продукты с большой вязкостью, например, соусы, очень удобно использовать, чтобы намазывать на другие продукты, как хлеб. Их также используют для того, чтобы удерживать слои продуктов на месте. В бутерброде для этих целей используют масло, маргарин, или майонез - тогда сыр, мясо, рыба или овощи не соскальзывают с хлеба. В салатах, особенно многослойных, также часто используют майонез и другие вязкие соусы, чтобы эти салаты держали форму. Самые известные примеры таких салатов - селедка под шубой и оливье. Если вместо майонеза или другого вязкого соуса использовать оливковое масло, то овощи и другие продукты не будут держать форму. В салате часто предпочитают более вязкие соусы, но майонез содержит насыщенные жиры, которые наносят вред здоровью. Поэтому те, кто стараются питаться здоровой пищей, часто заменяют майонез смесью маложирного или обезжиренного йогурта и оливкового масла. Йогурт придает соусу вязкости, которую не может дать оливковое масло, а оливковое масло - тонкий аромат и немного жирности. В такой соус можно добавить приправ, например трав, бальзамического уксуса, или сока лимона, и тогда соус будет не только полезнее для здоровья, но и намного вкуснее майонеза. Важно только не переусердствовать с оливковым маслом, так как хоть оно и не содержит холестерина, количество жиров и калорий в нем достаточно высоко.
Вязкие продукты с их способностью удерживать форму используют также для украшения блюд. Например, йогурт или майонез на фотографии не только остаются в той форме, которую им придали, но и поддерживают украшения, которые на них положили.
По этой же причине так популярны сливочные соусы для макарон. При нагревании сливок и масла, они густеют и становятся более вязкими, что помогает при украшении блюд и придает соусу приятную консистенцию. В таком виде смесь этих двух продуктов используют как основу для сливочных соусов. Томатный соус не такой вязкий, как сливочный. Так как в сливках и масле содержится большой процент жира, в диетическом питании их часто заменяют молоком. При нагревании молоко загустевает намного хуже, чем сливки и масло, поэтому для увеличения его вязкости используют муку или крахмал. При этом может ухудшиться вкус блюда, особенно если добавить слишком много муки или крахмала, поэтому в таких соусах часто используют больше приправ, хотя это зависит от мастерства повара.
Вязкость растительных масел обычно недостаточно высока, поэтому для удобства использования их в кулинарии масла подвергают гидрогенизации. С помощью этого процесса производят маргарин. Гидрогенизированные масла лучше держатся на хлебе и других продуктах, а также их можно взбивать - свойство, которое часто используют в выпечке. Благодаря низкой цене и высокой вязкости, до недавнего времени маргарин пользовался большой популярностью на кухне. Теперь его используют реже, потому что с ним связан ряд проблем, например высокий уровень транс- и насыщенных жиров. Эти жиры повышают уровень холестерина в организме. В последнее время производители стараются уменьшить количество этих жиров, поэтому покупая маргарин, стоит проверить информацию о жирах на этикетке.
Вязкость в медицине
В медицине необходимо уметь определять и контролировать вязкость крови, так как высокая вязкость способствует ряду проблем со здоровьем. По сравнению с кровью нормальной вязкости, густая и вязкая кровь плохо движется по кровеносным сосудам, что ограничивает поступление питательных веществ и кислорода в органы и ткани, и даже в мозг. Если ткани получают недостаточно кислорода, то они отмирают, так что кровь с высокой вязкостью может повредить как ткани, так и внутренние органы. Повреждаются не только части тела, которым нужно больше всего кислорода, но и те, до которых крови дольше всего добираться, то есть, конечности, особенно пальцы рук и ног. При обморожении, например, кровь становится более вязкой, несет недостаточно кислорода в руки и ноги, особенно в ткань пальцев, и в тяжелых случаях происходит отмирание ткани. В такой ситуации пальцы, а иногда и части конечностей приходится ампутировать.
Высокая вязкость крови может быть вызвана не только низкими температурами, но также и наследственными заболеваниями или физиологическими аномалиями, при которых в крови слишком много кровеносных телец, слишком мало плазмы, или повышен холестерин. Лечится эта проблема медленным нагреванием обмороженных участков, разжижением крови дополнительной плазмой, а также другими способами.
Влияние вязкости на процесс извержения вулкана
Во время извержения вулкана вязкость магмы влияет на силу извержения. Чем меньше вязкость, тем более низкое давление требуется, чтобы вытолкнуть ее из кратера, и тем лучше она будет растекаться по склонам горы. Примеры таких вулканов - на Гавайских островах. Так как жидкую магму низкой вязкости легче вытолкнуть из кратера, то и извержения в таких вулканах случаются чаще, но они менее бурные, чем у вулканов с вязкой магмой.
Вулкан выталкивает вязкую магму из кратера при высоком давлении, и извержения похожи на взрывы, а не на плавно изливающуюся реку. Эти взрывы происходят из-за того, что в магме содержатся пузырьки воздуха. Такие взрывы очень опасны, так как их трудно предсказать. Одно из известных извержений такого типа - извержение Везувия в Помпеях в 79 году, которое погребло под лавой и пеплом несколько городов.
Увидеть извержение вулкана удается немногим, к тому же в большинстве случаев это опасно. Тем не менее, можно увидеть похожее явление у себя на кухне. Поставьте два вида супа на кухонную плиту, и доведите их до кипения. Один суп должен быть низкой вязкости, например куриный бульон, а второй - наоборот высокой вязкости, например суп-потаж или суп-пюре. Бульон будет кипеть, пока не выкипит вся жидкость, но скорее всего он лишь немного запачкает плиту, и то, только в том случае, если кастрюля переполнена. Кипение вязкого супа будет намного более бурным из-за пузырьков воздуха, которые в нем находятся. Так ведет себя не только суп, но и любая вязкая жидкость, например манная каша на фотографии.
Вязкость магмы зависит от температуры и от химического состава. Чем больше в составе магмы диоксида кремния, тем она более вязкая, благодаря структуре молекул кремнезема.
Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.