Вязкость является важной характеристикой материалов во многих химических производствах (искусственное волокно синтетические смолы, краски, смазочные масла, растворы каучука)
Вязкость – способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев. При воздействии на жидкость внешних сил она сопротивляется потоку благодаря внутреннему трению. Вязкость - мера этого внутреннего трения. Строго говоря, вязкость имеют и твердые тела, но она достаточно специфична и малозаметна.
Существует два типа вязкости: динамическая (абсолютная) и кинематическая.
Динамическая вязкость оценивается в Па*с или в Пуазах (сила в 1 Н, которая способна между двумя параллельными плоскостями, имеющими площадь 1 
и находящимися друг от друга на расстоянии 1 м, поддерживать градиент скорости течения жидкости, равный 1 
). Проще говоря, этот тип вязкости характеризует текучесть жидкости в реальных условиях.
На практике часто пользуются кинематической вязкостью, которая представляет собой отношение динамической вязкости к плотности среды и выражается в 
, Стоксах или градусах Энглера - это внесистемная единица условной вязкости, применяемая в нефтехимии. Кинематическая вязкость позволяет судить о текучести жидкости в различных условиях, то есть при различных температурах и давлении.
Для некоторых жидкостей (и газов) кинематический коэффициент вязкости составляет: для воды 
; для воздуха при атмосферном давлении и температуре 0 
; для ментана при атмосферном давлении и температуре 17 
.
Вязкость капельных жидкостей зависит от температуры и уменьшается с увеличением последней. Вязкость газов, наоборот, с увеличением температуры возрастает. Это объясняется самой природой вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена главным образом беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с температурой. Поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает.
|
|
Вязкость капельных жидкостей зависит также от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления, порядка нескольких сотен атмосфер. С увеличением давления вязкость большинства жидкостей возрастает, но при давлениях меньше 10 МПа изменением вязкости обычно пренебрегают.
Вязкость газов при обычно встречающихся в технике перепадах давления не зависит от давления. Но если газы подвергаются очень сильному сжатию, их вязкость значительно возрастает.
Для измерения вязкости применяются приборы – вискозиметры (вискозус – вязкость на латыни), в которых используются следующие методы: капиллярные, падающего тела, крутящегося момента, вибрационные, ультразвуковые, ротационные.
Немного о наиболее распространенных методах измерения вязкости.
Первый - на основе уравнения Пуазейля, связывающего скорость, с которой жидкость вытекает через капилляр, со временем, за которое это происходит.
Иной подход к определению внутреннего трения иллюстрирует вискозиметр, созданный на базе закона Стокса: формула связывает коэффициент вязкости жидкости со скоростью поступательного движения шарика в ней. Пример - широко используемый вискозиметр Гепплера.
|
|
Третий метод был предложен Ньютоном и доработан Тейлором. Ньютон сдвигал пластины с жидкостью между ними, по геометрическим размерам пластин, силе и скорости сдвига вычисляя внутреннее трение жидкости. А Тейлор определял вязкость прослойки по крутящему моменту или скорости вращения одного цилиндра в другом (вот и называют иногда такие вискозиметры тейлоровскими).
Ну и четвертый способ - ультразвуковой: вязкость определяется по скорости затухания упругих колебаний в зонде-пластине, помещенной в исследуемую среду. Примеры применения таких вискозиметров - определение вязкости агрессивных сред и расплавов, непрерывный контроль внутреннего трения во время технологических процессов.
Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре и заключается в измерении времени протекания определённого количества (объёма) газа или жидкости через капилляры (узкие трубки, имеющие круглое сечение) под действием разницы давлений (или только силы тяжести).
Капиллярные вискозиметры задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала. В основном, этот вид вискозиметров связывает вязкость жидкости с ее расходом: то есть за сколько времени при постоянном давлении объем жидкости перетечет из резервуара через капилляр в приемник. Но иногда, скажем для исследования механических свойств упруго-вязких веществ, используются другой тип - постоянного расхода с переменным давлением: например, при исследовании текучести консистентных смазок.
|
|
Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса (в начальный момент уровень жидкости в одном колене выше, чем в другом). В таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки. Время опорожнения измерительного резервуара определяют как промежуток между моментами прохождения уровня жидкости мимо меток на верхних и нижних концах резервуара.
Возможно и искусственное нагнетание давления. В капиллярных автоматических вискозиметрах (непрерывного действия) жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности. Перепад давления на капилляре, измеряемый манометром, пропорционален искомой вязкости.
Схема автоматического капиллярного вискозиметра. Капиллярный вискозиметр состоит из шестеренчатого насоса 1, приводимого в движение от синхронного двигателя. Насос обеспечивает строго постоянный расход жидкости через напорную трубу 2, оканчивающуюся калибровочным капилляром 3. Напорная трубка соединена с манометром 4.
Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра:
Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,
R – радиус капилляра вискозиметра, м
L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м
η – вязкость жидкости, Па·с,
р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.
Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.
В капиллярном вискозиметре жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости, очевидно, что часть его будет расходоваться на сообщение жидкости определённой кинетической энергии.
Следовательно, в уравнение Пуазейля необходимо ввести некоторую поправку на кинетическую энергию, называемую поправкой Хагенбаха:
где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность иссдледуемой жидкости.
Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L':
n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.
Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.
Каждый вискозиметр состоит из следующих частей: емкости для исследуемого материала, калиброванного капилляра, приспособлений для определения и регулирования давления, определения скорости течения (или истечения) материала, определения температуры.
Капиллярный вискозиметр представляет собою один или несколько резервуаров данного объёма с отходящими трубками малого круглого сечения, или капиллярами. Принцип действия капиллярного вискозиметра заключается в медленном истечении жидкости из резервуара через капилляр определенного сечения и длины под влиянием разности давлений. В автоматических капиллярных вискозиметрах жидкость поступает в капилляр от насоса постоянной производительности.
Суть опыта при определении вязкости состоит в измерении времени протекания известного количества жидкости при известном перепаде давлений на концах капилляра. Дальнейшие расчёты ведутся на основании закона Пуазейля.
Рис. 1. Капиллярный вискозиметр ВПЖ-1
искозиметр капиллярный стеклянный типа ВПЖ-1 с висячим уровнем (рис. 1) состоит из измерительного резервуара (4), ограниченного двумя кольцевыми отметками M1 и M2; резервуар переходит в капилляр (5) и резервуар (6), который соединен с изогнутой трубкой (3) и трубкой (1).
Трубка (1) имеет резервуар (7) с двумя отметками М3 и М4, указывающими пределы накопления вискозиметра жидкостью. Жидкость из резервуара (4) по капилляру (5) стекает в резервуар (6) по стенкам последнего, образуя у нижнего конца капилляра «висячий уровень».
Изменение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара.
Перед определением вязкости жидкости вискозиметр должен быть тщательно промыт и высушен.
Испытуемая жидкость заливается в чистый вискозиметр через трубку (1) так, чтобы уровень ее установился между отметками М3 и М4. На концы трубок (2) и (3) надевают резиновые трубки, причем, первая из них снабжена краном и резиновой грушей, вторая – краном.
Вискозиметр устанавливают вертикально в жидкостный термостат, так, чтобы уровень воды находился на несколько сантиметров выше расширения (8).
При температуре измерения выдерживают прибор не менее 15 минут, после чего засасывают (грушей) при закрытой трубке (3) жидкость выше отметки M1 примерно до половины резервуара (8) и перекрывают кран, соединенный с трубкой (2).
Если вязкость жидкости менее 500-1000 сантистоксов, открывают кран на трубке (2) и освобождают зажим на трубке (3).
При более вязких жидкостях сначала открывают трубку (3), затем трубку (2).
Далее измеряют время понижения уровня в трубке (2) от отметки M1 до отметки M2.
Необходимо при этом обращать внимание на то, чтобы к моменту подхода уровня жидкости к отметке M1 в расширении (6) образовался висячий уровень, а в капилляре не было бы пузырьков воздуха.
Вязкость вычисляют по формуле (8) по среднему (из нескольких измерений) времени истечения жидкости:
(8)
где 
– кинематическая вязкость жидкости в сантистоксах, 
– время истечения жидкости в секундах, g– ускорение силы тяжести в месте измерения в см/c2.
Расчеты по формуле (8) будут достаточно точными, так как диаметр капилляра вискозиметра 0,43 мм.
Несмотря на кажущуюся хрупкость тонких капилляров, многие капиллярные вискозиметры являются высокотемпературными вискозиметрами. Однако в случае, если температура вязкой жидкости достаточна высока, возникает трудность в подборе материала вискозиметра, который может как изменить форму (изменение диаметра капилляра вискозиметра недопустимо), так и вступить во взаимодействие с вязкой жидкостью, что плохо отразится на точности данных измерения вязкости.
Капиллярные вискозиметры имеют размер капилляра от 0,3 до 0,7 мм, что позволяет измерять вязкость в широком диапазоне. При выборе вискозиметра следует иметь в виду, что время вытекания жидкости должно составлять от 1 до 3 мин. В противном случае точность определения вязкости будет низкой.
Относительная погрешность образцовых капиллярных вискозиметров ±0,1—0,3%, рабочих приборов ±0,5—2,5%.
Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.