Условная вязкость единицы измерения. Понятие динамической и кинетической вязкости. Практическое применение вискозиметрам

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:

Летучесть (фугитивность) Оптические свойства Электрические свойства

Вязкостью называется свойство жидкости сопротивляться внешнему воздействию благодаря внутреннему трению, возникающему между слоями.

Для определения вязкости существует два основных параметра: динамическая вязкость и кинематическая вязкость, которые связаны между собой соотношением:

Где ν - кинематическая вязкость, м 2 /с;

µ - динамическая вязкость, Па*с;

ρ - плотность жидкости, кг/м 3 .

Между слоями жидкости, движущимися друг относительно друга, возникает сила. Эта сила прямо пропорциональна скорости движения и площади соприкосновения.

В 1687 году И. Ньютоном был установлен закон вязкого течения жидкости:

где τ - касательные напряжения;

Коэффициент пропорциональности µ и назвали динамической вязкостью жидкости.

Динамическая и кинематическая вязкости зависят от температуры рабочей среды. Причем для газов и жидкостей эта зависимость различна. Это связано с различием во взаимодействии молекул. Для капельных жидкостей оба коэффициента убывают с возрастанием температуры.

Для определения вязкости используются специальные приборы - вискозиметры (U-образная стеклянная трубка). Одно из колен вискозиметра содержит впаянный капилляр, который оканчивается шариком. Под шариком и над ним нанесены метки, которые ограничивают определенный объем.

Для определения вязкости жидкости необходимо выбрать эталонную жидкость, вязкость которой является известной величиной. Для определения вязкости рабочей жидкости используется формула:

где µ - вязкость рабочей жидкости;

µ 0 - вязкость эталонной жидкости;

t - время истечения через капилляр исследуемой жидкости;

t 0 - время истечения через капилляр эталонной жидкости;

ρ - плотность исследуемой жидкости;

ρ 0 - плотность эталонной жидкости.

Так же существует понятие условной вязкости. Это отношение времени истечения через вискозиметр испытуемой жидкости при рабочей температуре к времени истечения дистиллированной воды при температуре 20°С (водное число). Водное соотношение является постоянной величиной для каждого прибора. Это соотношения выражается условными градусами.

где ВУ - условная вязкость;

t H 2 O - водное число.

Еще один метод определения вязкости жидкости - метод Стокса.

Он заключается в бросании различных шариков в жидкость и измерении скорости их падения. На шарик действуют три силы: сила тяжести, выталкивающая сила и сила сопротивления окружающей среды.

где F тяж - сила тяжести;

Вязкость характеризует способность газов или жидкостей создавать сопротивление между движущимися по отношению друг к другу слоями текучих (не твердых) тел. То есть эта величина соответствует силе внутреннего трения (английский термин: viscosity), возникающей при движении газа или жидкости. Для разных тел она будет различной, так как зависит от их природы. Например, вода имеет низкую вязкость по сравнению с медом, вязкость которого намного выше. Внутреннее трение или текучесть твердых (сыпучих) веществ характеризуется

Слово вязкость происходит от латинского слова Viscum, что в переводе означает омела. Это связано с птичьим клеем, который делали из ягод омелы и использовали для ловли птиц. Клеящим веществом намазывали ветки деревьев, а птицы, садясь на них, становились легкой добычей для человека.

Что же такое вязкость? Единицы измерения данной характеристики будут приведены, как это принято, в а также в других внесистемных единицах.

Исак Ньютон в 1687 году установил основной закон течения жидких и газообразных тел: F = ƞ . {(v2 - v1) / (z2 - z1)} . S. В данном случае F — это сила (тангенциальная), которая вызывает сдвиг слоев подвижного тела. Отношение (v2 - v1) / (z2 - z1) показывает быстроту изменения скорости течения жидкости или газа при переходе от одного подвижного слоя к другому. Иначе называется градиентом скорости течения или скоростью сдвига. Величина S — это площадь (в поперечном сечении) потока подвижного тела. Коэффициент пропорциональности ƞ и есть динамической данного тела. Величина, ей обратная j = 1 / ƞ, является текучестью. Силу, действующую на единицу площади (в поперечном сечении) потока, можно рассчитать по формуле: µ = F / S. Это и есть абсолютная или динамическая вязкость. Единицы измерения ее в системе СИ выражаются как паскаль на секунду.

Вязкость является важнейшей физико-химической характеристикой многих веществ. Значение ее учитывают при проектировании и эксплуатации трубопроводов и аппаратов, в которых происходит движение (например, если они служат для перекачивания) жидкой или газообразной среды. Это могут быть нефть, газ или продукты их переработки, расплавленные шлаки либо стекло и прочее. Вязкость во многих случаях является качественной характеристикой полупродуктов и готовых продуктов различных производств, так как она напрямую зависит от структуры вещества и показывает физико-химическое состояния материала и изменения, происходящие в технологии. Часто для оценки величины сопротивления деформации или истечения используют не динамическую, а кинематическую вязкость, единицы измерения которой в системе СИ выражаются в квадратных метрах за секунду. Кинематическая вязкость (обозначается ν) есть отношение вязкости динамической (µ) к плотности среды (ρ): v = µ / ρ.

Кинематическая вязкость — это физико-химическая характеристика материала, показывающая его способность под действием сил гравитации сопротивляться течению.

В системе СИ единицы измерения кинематической вязкости записывают как м 2 /с.

В системе СГС вязкость измеряют в стоксах (Ст) или сантистоксах (сСт).

Между этими единицами измерения существует следующая связь: 1 Ст = 10 -4 м 2 /с, тогда 1 сСт = 10 -2 Ст = 10 -6 м 2 /с = 1 мм 2 /с. Часто для кинематической вязкости пользуются другой внесистемной единицей измерения — это градусы Энглера, перевод которых в Стоксы можно осуществлять по эмпирической формуле: v = 0,073oE - 0,063 / oE или по таблице.

Для пересчета системных единиц измерения динамической вязкости во внесистемные можно использовать равенство: 1 Па. с = 10 пуаз. Краткое обозначение записывается: П.

Обычно единицы измерения вязкости жидкости регламентируются нормативной документацией на готовый (товарный) продукт или на полупродукт вместе с допустимым диапазоном изменения этой качественной характеристики, а также с погрешностью ее измерения.

Для определения вязкости в лабораторных или производственных условиях пользуются вискозиметрами различной конструкции. Они могут быть ротационные, с шариком, капиллярные, ультразвуковые. Принцип измерения вязкости в стеклянном капиллярном вискозиметре основан на определении времени истечения жидкости через калиброванный капилляр определенного диаметра и длины, при этом должна быть учтена постоянная вискозиметра. Так как вязкость материала зависит от температуры (с повышением ее она будет уменьшаться, что объясняется молекулярно-кинетической теорией как результат ускорения хаотического движения и взаимодействия молекул), поэтому испытуемая проба должна быть выдержана некоторое время при определенной температуре для усреднения последней по всему объему пробы. Существует несколько стандартизованных методов испытания вязкости, но наиболее распространенный — это межгосударственный стандарт ГОСТ 33-2000, на основании которого определяется кинематическая вязкость, единицы измерения в данном случае мм 2 /с (сСт), а динамическая вязкость пересчитывается, как произведение вязкости кинематической на плотность.

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 - внутреннее трение, проявляющееся при наличии относительного движения соседних слоев жидкости или газа и зависящее от сил сцепления между молекулами. Если через s обозначить площадь соприкосновения двух параллельных перемещающихся слоев, а через v - скорость перемещения слоя, то сила f взаимодействия между слоями выразится формулой:

здесь есть градиент скорости в направлении, перпендикулярном плоскости s, а η есть вязкость, или коэффициент внутреннего трения.

Единицы измерения

Эта абсолютная единица вязкости называется пуазом . Обычно применяют величину в 100 раз меньшую - центипуаз , что особенно удобно для измерительных целей, так как ему равна абсолютная вязкость воды при 20,5°. Для некоторых веществ (применяемых при калибровании) абсолютные вязкости при давлении 760 мм - таковы:

Из жидкостей при 15° одной из наименьших наблюденных вязкостей обладает жидкая СО 2 (в критическом состоянии в 50 раз меньше вязкости воды); весьма большой вязкостью обладают касторовое масло и глицерин: при 2,8° вязкость последнего в 2500 раз больше вязкости воды при той же температуре. Еще выше вязкость крепких растворов сахара в глицерине (в 100000 раз больше вязкости воды) и вязкость расплавленного стекла.

Величина, обратная абсолютной вязкости, называется текучестью (нем. Fluiditat) и обозначается через ϕ; ϕ = 1/η. Эрк предлагает абсолютную вязкость называть динамической , в отличие от т. н. кинематической . Последняя получается делением абсолютной вязкости тела на его удельный вес D и обозначается через ν или V k , причем V k = 100ν и выражается в кинематических центипуазах. Ее размерность: см 2 /сек. Т. о. V k = η/D. Удельная вязкость представляет собой отношение вязкости измеряемой жидкости к вязкости воды при 0°:

Все эти единицы вязкости находят применение почти исключительно при научных исследованиях, и только удельной вязкостью пользуются иногда в технике. На практике чаще всего применяют условные единицы: градусы Энглера , секунды Сейболта или Редвуда или градусы Барбье (см. Вязкость масел), последняя величина, собственно, служит выражением текучести.

Измерение вязкости производится в приборах, называемых вискозиметрами . Устройство их основано на следующих принципах: 1) качание помещенного в жидкость твердого тела, поворачивающегося на прикрепленной к его центру проволоке (способ Кулона); 2) падение твердого тела в вязкой жидкости (способ Джонса, основанный на формуле Стокса); 3) вращение тела в жидкости или вращение жидкости в сосуде (торсионный способ); 4) истечений вязкой жидкости из капиллярных трубок (способ Пуазейля). Последний способ основан на следующем законе Пуазейля: если под давлением (р) из капилляра длиной (I) и радиуса (r) за время (t) протечет объем жидкости (v), то

Для точных измерений употребляют обычно приборы Оствальда или Уббелоде. Применяемые капилляры должны быть строго цилиндричны, с возможно одинаковым диаметром по всей длине. В вискозиметре Оствальда (фиг. 1, А) измеряется время истечения точно измеренного (между метками c и d) объема жидкости под давлением собственного веса.

Высота ее и, следовательно, давление постепенно меняются; это служит причиной некоторой неточности, так как для жидкостей с разным удельным весом это изменение давлений будет различно. В вискозиметре Уббелоде (фиг. 1, Б) истечение производится посредством определенного давления воздуха; при этом, кроме измерительного шарика b, откуда вытекает жидкость, имеется совершенно одинаковый компенсирующий шарик b", куда жидкость поступает по мере истечения ее из b. Т. о., если в начале давление было Р возд. +Р жидк. , то к концу оно будет Р возд. -Р жидк. , т. е. избыток давления (р) в начале опыта компенсируется недостатком давления, тоже (р), в конце опыта, и давление истечения в среднем будет равно (Р). Технические приборы основаны на измерении времени истечения определенного объема испытуемой жидкости в условиях строгого постоянства температуры во время опыта. Все они определяют кинематическую вязкость в условных градусах и м. б. переведены в абсолютную кинематическую вязкость по общей формуле Фогеля, пригодной для всех вискозиметров, в которых истечение происходит под влиянием собственной тяжести жидкости:

где а - константа аппарата, зависящая от размеров капилляра, а τ - отношение времени истечения вязкой жидкости и воды при 20,5°.

(фиг. 2) имеет следующее устройство.

Измерительный сосуд (а) - цилиндроконический латунный резервуар с крышкой, в которую вставляется термометр (с) для исследуемой жидкости и штифт (b), закрывающий трубку для истечения (с платиновой обкладкой). Внутри сосуда на стенках - три крючка для установления уровня наполнения сосуда; f - термостатический, также латунный, сосуд с мешалкой d; е - ручка мешалки. Перед началом опыта сосуд (а) и особенно трубка для истечения тщательно промываются и высушиваются, (f) заполняется водой (или маслом - для измерения при 100° и выше), которая доводится до желательной температуры. Измерительный сосуд (а), при закрытом штифтом отверстии, заполняется испытуемой жидкостью до крючков и накрывается крышкой. Когда температура жидкости дошла до необходимой высоты (в термостате температура д. б. на 0,5-3,0° выше, в зависимости от температуры измерения), поднимают штифт b. Жидкость начинает вытекать в подставленную мерную колбу. Одновременно пускают секундомер и останавливают его, когда жидкость в колбе достигнет деления 200 см 3 .

(фиг. 3) состоит из измерительного посеребренного латунного сосуда А с отверстием для истечения В, закрываемым шариком палочки С; D - четыре крыла и Е - ручка мешалки, представляющей собой латунный сосуд, вращающийся вокруг измерительного вместе с термометром F; G - водяная баня со спускным краном Н и насадкой для подогрева I.

Прибор устанавливается по ватерпасу посредством установочных винтов треножника. При закрытом отверстии В наливается масло, чтобы при температуре опыта, показываемой термометром F 1 , оно достигло конца крючка К. Операции - те же, что и в приборе Энглера, причем измеряется время истечения 50 см 3 жидкости.

(фиг. 4) состоит из бани, снабженной приборами для нагревания (обычно электрической грелкой, газовой горелкой или паровым змеевиком).

Измерительный сосуд укрепляется в крышке, которую для перемешивания можно поворачивать в бане посредством рычагов. Измерительный сосуд (а) представляет цилиндр; уровень жидкости в нем устанавливается автоматически, так как он снабжен закраинами, куда переливается избыток жидкости. Перед наполнением нижнее отверстие закрывается пробкой (b). Тогда между пробкой и капилляром образуется воздушная пробка, мешающая вытеканию жидкости, пока корковая пробка на месте. Определяется истечение 60 см 3 жидкости.

В вискозиметрах Энглера, Редвуда и Сейболта уровень жидкости во время измерения меняется. В иксометре Барбье (фиг. 5) истечение происходит при постоянном давлении.

Он представляет собой трубку В (8 мм диаметром), соединенную посредством трубки С с трубкой А (5 мм диаметром). Внутри А концентрически вставлена стальная палочка (а) (точно 4 мм диаметром). Истечение через трубочку D в градуированную бюретку К происходит под давлением столба жидкости в 100 мм (разность уровней между нижними точками начала трубок D и F у воронки G, куда жидкость постепенно поступает из воронки-резервуара Н).

Кроме описанных, за последнее время в технику начали проникать вискозиметры, основанные на других принципах. Все технические вискозиметры применяются преимущественно при исследовании масел, нефтепродуктов, а также коллоидов.

Влияние температуры на вязкость очень велико. Вязкость жидкостей сильно падает с температурой и тем быстрее, чем выше величина вязкости. Известна лишь одна аномалия: вязкость воды между 4 и 5° немного возрастает. Общей формулы зависимости вязкости от температуры не существует. В простейшем случае вязкость падает обратно пропорционально температуре: η = а/Т, т. е. текучесть растет пропорционально температуре: ϕ = а"∙Т, что и было показано Бачинским для ртути; обычно, однако, зависимость сложнее; хорошо применима, особенно к нормальным неассоциированным жидкостям, такая формула Бачинского: η = а/Т 2 . Для неассоциированных жидкостей общей зависимостью вязкости от температуры является формула Бачинского (1913 г.):

где V - молекулярный объем при данной температуре, с, w - константы, особые для каждой жидкости, причем w соответствует константе b в формуле Ван-дер-Ваальса, т. е. связана с размещением свободного пространства между молекулами (V-w); V меняется с температурой, в зависимости от чего меняется и η. Денн (1927 г.) предложил формулу, хорошо согласующуюся с данными для многих веществ различных классов, но еще не подвергнутую широкой проверке:

где А и Q - константы. Денн выводит формулу из основных положений учения о диффузии. Примером влияния V на вязкость может служить касторовое масло (в пуазах):

Влияние давления на вязкость значительно меньше, что объясняется меньшим влиянием его на изменение свободного пространства между молекулами. Вязкость несколько возрастает с повышением давления, притом тем быстрее, чем сложнее молекула. Исключением является вода, у которой при температуре ниже 25° с повышением давления вязкость слегка падает. Пример

Вязкость растворов и смесей . Вязкость водных растворов бывает иногда выше, иногда ниже вязкости воды, например, вязкость растворов галоидных и азотнокислых солей калия и аммония при низких температурах меньше, при высоких - больше вязкости чистой воды.

В случае однородных смесей двух нормальных жидкостей текучесть ϕ = 1/η обладает аддитивностью, как показал Бачинский, исходя из своего закона и основываясь главн. обр. на экспериментальном материале Торпе и Роджерса. Из формулы Бачинского: ϕ = k(V-w) видно, что собственно не вязкость, а обратная величина – текучесть - аддитивна для жидкой смеси, если концентрацию выражать не в весовых, а в объемных %; если же сжатие при смешении не велико, она сводится лишь к изменению объема w, «занятого молекулами». При этом, если для смеси написать зависимость от Т (через V), то в ней w будет аддитивно слагаться из значения w для чистых компонентов смеси, константа же k (=1/c) связана с концентрацией значительно более сложной зависимостью. Изменение константы с, являющейся мерой межмолекулярных сил, с концентрацией смеси может служить для отыскания образующихся в смеси химических соединений компонентов. Связь между вязкостью и химическим строением жидкости была гл. обр. изучена Торпе и Роджерсом (1894 г.) на большом экспериментальном материале. Оказалось, что текучесть ϕ или выражение ηМ/D, т. е. молекулярная кинематическая вязкость (М - молекулярный вес), м. б. аддитивно вычислены из постоянных значений для отдельных групп атомов и других элементов структуры, например, двойных связей, входящих в молекулу; так, при введении в молекулу одной группы СН 2 , т. е. при переходе в гомологическом ряду от одного члена к последующему, ηМ/D возрастает на 0,08 абсолютных единиц. В противоположность неассоциированным жидкостям (углеводороды, галоидопроизводные и др.), у жидкостей ассоциированных текучесть ϕ и ηМ/D не слагаются аддитивно из значений для компонентов молекулы. Уклонения от аддитивности могут служить для вычисления факторов ассоциации . Вальден показал, что произведение из предельной эквивалентной электропроводности μ ∞ данного электролита (при бесконечном разведении) на вязкость растворителя η ∞ есть постоянная, не зависящая от природы растворителя:

Величина Const не зависит также и от температуры, как было показано Вальденом и Сахановым. При расчетах степени диссоциации α электролита по данным электропроводности надо вводить поправку на вязкость:

здесь η и μ относятся к данному раствору, а η ∞ и μ ∞ - к бесконечному разведению.

Вязкость коллоидов , например, эмульсий, зависит не только от природы среды и дисперсной фазы, но и от эмульгатора. С повышением содержания дисперсной фазы вязкость обычно повышается тем сильнее, чем больше степень дисперсности. Вязкость эмульсий обычно вычисляется по формуле Эйнштейна:

где η - вязкость эмульсии, η 0 - вязкость дисперсионной среды и V - объем глобул в единице объема эмульсии.

Применение вязкости . В теории - для изучения молекулярного строения жидкостей, их ассоциации, строения коллоидов; в практических областях - как один из физических методов анализа в чистой и прикладной химии, при решении гидродинамических вопросов вообще, в частности - турбулентного движения, скорости распределения потоков, падения давления в гладких и шероховатых трубах, при расчете трубопроводов и особенно нефтепроводов. Большое значение вязкость имеет в области теплопередачи, так как она в сильной степени зависит от движения струй, которые, в свою очередь, связаны с вязкостью. Наконец, в области учения о смазке и при оценке нефтепродуктов часто пользуются определениями вязкости.

Для быстрого нахождения вязкости смесей двух минеральных масел любой вязкости от 2 до 50 °Е весьма удобна вискограмма Молина (фиг. 6), на которой А обозначает вязкость в °Е одного из смешиваемых масел, а объемный % его в смеси указан в верхней части вискограммы; В - вязкость другого смешиваемого масла, и объемный % его в смеси указан в нижней части вискограммы. Вискограмма применима при любой температуре, но одинаковой как для смешиваемых масел, так и для их смеси. Ею пользуются следующим образом.

1. Нахождение вязкости смеси масел , когда даны их вязкости и % содержания в смеси . Пример . Масло А с вязкостью 35°Е-30%; масло В с вязкостью в 6,5°Е-70%. Натягивают нитку между точками, отвечающими «35» по левой вертикальной линии и «6,5» - по правой. Пересечение нитки с вертикальной линией «30% А» (или «70% В») происходит на горизонтали «10,1». Искомая вязкость смеси равна 10,1 °Е.

2. Нахождение соотношения смешиваемых масел по заданным вязкостям компонентов и их смеси . Пример . Из масел с вязкостью 25°Е и 5°Е составить смесь с вязкостью 6,6°Е. Нитку протягивают между точками «25» на вертикали А и «5,0» на вертикали В. Точка ее пересечения с горизонталью «6,6» отвечает «20% А». Для приготовления смеси надо взять 20% масла А.

3. Нахождение вязкости одного из масел по заданным вязкостям смеси, другого масла и содержанию последнего в смеси . Пример . Составить смесь с вязкостью 5°Е из масла с вязкостью 3,0°Е, при содержании его в смеси - 60%. Нитку протягивают от точки «3,0» вертикали А так, чтобы она пересекла вертикаль «60% А» в месте ее пересечения с горизонталью «5,0». Вертикаль В нитка пересекает в точке «16». Другой компонент (40%) должен иметь вязкость 16°Е. Нитку надо натягивать тщательно. Вместо нитки можно употреблять правильную линейку. При соблюдении этих условий и тщательности установки и отсчета точек расхождение с таблицами Молина-Гурвича не превышает 1% от определяемой величины.