Что такое вязкость?
Вязкость — это ключевая физическая характеристика, описывающая способность жидкости или газа сопротивляться течению. По своей природе она представляет собой внутреннее трение, возникающее между соседними слоями (молекулами) движущейся среды. Это свойство является фундаментальным для понимания поведения флюидов.
Динамическая и кинематическая вязкость
Вязкость количественно выражается через динамическую (абсолютную) вязкость, единицей измерения которой является Паскаль-секунда (Па·с). Эта величина определяется исключительно экспериментальным путем, так как её теоретический расчёт крайне сложен. Значения динамической вязкости сильно различаются: например, у воды при 20°C она составляет около 1 сантипуаза (сП), у глицерина — около 1500 сП, а у воздуха — примерно в 60 раз меньше, чем у воды.
В инженерной практике часто используется кинематическая вязкость, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности вещества. Её измеряют в м²/с или мм²/с (сантистоксах, сСт). Именно кинематическая вязкость является стандартным показателем для характеристики нефтей и нефтепродуктов, определяемым при температурах 20, 50 и 100 °C.
Практическая важность и измерение
Вязкость — критически важный параметр в гидравлике, определяющий энергозатраты на перекачку жидкостей, смазывающую способность масел и эксплуатационные свойства топлив и битумов. Она сильно зависит от температуры: с её ростом вязкость жидкостей уменьшается, а газов — увеличивается.
Для измерения вязкости существует множество методов и приборов — вискозиметров. В нефтяной промышленности также применяется условная вязкость, измеряемая в градусах ВУ (ВУ — условные градусы), которая показывает отношение времени истечения продукта ко времени истечения воды.
Индекс вязкости и качество масел
Одним из ключевых показателей качества смазочных материалов является индекс вязкости (ИВ) по Дина и Дэвиса. Он характеризует, насколько стабильной остаётся вязкость масла при изменении температуры. Чем выше индекс вязкости (от 0 до 100 и выше), тем меньше вязкость масла зависит от нагрева или охлаждения, что свидетельствует о его высоком качестве. Для современных масел ИВ может достигать 130–200 и даже 250. Этот индекс служит как техническим, так и коммерческим критерием совершенства производства масел.
Несмотря на существование десятков методов оценки вязкостно-температурных свойств, именно индекс вязкости, стандартизированный (например, по ASTM D2270), получил наибольшее распространение в практике.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Вязкость оказывает решающее влияние на расчёты гидромеханических и тепловых процессов. Все жидкости делятся на две большие группы:
Ньютоновские жидкости (газы, вода, нефтяные фракции, индивидуальные углеводороды). Их вязкость постоянна при данной температуре и прямо пропорциональна градиенту скорости потока.
Неньютоновские жидкости демонстрируют более сложное поведение, сочетая свойства жидкости и твёрдого тела. Их вязкость (часто называемая кажущейся или эффективной) нелинейно зависит от скорости сдвига. Изучением таких сред занимается наука реология. К неньютоновским жидкостям относятся:
1. Реологически стационарные жидкости
- Пластичные (бингамовские) жидкости: густые суспензии, буровые растворы, масляные краски.
- Псевдопластичные жидкости: растворы высокополимеров (целлюлоза, полиэтилен).
- Дилатантные жидкости: суспензии с высокой концентрацией твёрдой фазы (крахмал, некоторые клеи).
2. Реологически нестационарные жидкости
- Тиксотропные жидкости: многие красители (вязкость уменьшается со временем при постоянном сдвиге).
- Реопектические жидкости: суспензии бентонитовых глин (вязкость увеличивается со временем при сдвиге).
3. Вязкоупругие жидкости
- Смолы, высоковязкие эмульсии, пасты, которые проявляют как вязкие, так и упругие свойства.
Активное развитие реологии было стимулировано бурным ростом производства полимеров, пластиков, синтетических каучуков и других сложных материалов, чьи свойства невозможно описать классическими законами ньютоновской гидродинамики.