Viskozita

Viskozita (z latinského Viscum , jmelí, lepidla ) může být definován jako soubor jevů rezistence na pohyb kapaliny pro průtok s nebo bez turbulencí. Viskozita snižuje volný tok tekutiny a rozptyluje její energii.

Viskozitu charakterizují dvě fyzikální veličiny: dynamická viskozita (používaná nejběžněji) a druhá viskozita nebo objemová viskozita . Jeden také používá odvozené veličiny: tekutost , kinematická viskozita nebo podlouhlá viskozita . Těmito dvěma veličinami jsou obraz v makroskopickém měřítku molekulárních otřesů, elastické otřesy pro dynamickou viskozitu a nepružné otřesy pro objemovou viskozitu.

Na rozdíl od plynu klesá viskozita kapaliny s rostoucí teplotou. Jeden by si mohl myslet, že viskozita kapaliny roste s její hustotou , ale nemusí tomu tak být nutně: například řepkový olej (hustota 0,92 při 20  ° C ) je výrazně viskóznější než voda (7,78 × 10 −2  Pa s proti 1,01 × 10 −3  Pa s ).

Pojem viskozita vstupuje do hry v mnoha oblastech. V oblasti technologií, oleje pro mechanické použití jsou klasifikovány podle jejich viskozity, v souladu s mazacím potřeby k motoru nebo stroje, a teploty, na kterou bude olej vystaven během provozu ( index viskozity ).

Definice

Základní definice dynamické viskozity

V unidimenzionálním případě, například v nestlačitelném proudění Couette , lze dynamickou viskozitu definovat zvážením dvou vrstev tekutiny označených abcd a a'b'c'd, přičemž abcd vrstva je poháněna rychlostí vztahující se k ' b'c'd poznamenal a řídil následující . Třecí síla působí na vrstvu a'b'c'd oddělenou od d z . Dynamická viskozita (používá se také symbol ) zasahuje do vztahu mezi normou této síly a smykovou rychlostí , což je plocha každé vrstvy

Fyzický rozměr dynamické viskozity je:

V mezinárodním systému jednotek (SI) se proto dynamická viskozita měří v pascalech sekund ( Pa s ), přičemž tento název nahradil poiseuille (Pl), stejné hodnoty (1  Pa s = 1  Pl ).

Stále někdy najdeme starou jednotku systému CGS , poise (Po): 1  Pa s = 10  Po .

Z tohoto množství odvodit dva další, ekvivalent:

Vyjadřuje se v metrech čtverečních za sekundu (m 2 / s). V systému CGS je kinematická viskozita vyjádřena v úderech (St) nebo centistokech (cSt). Převod je okamžitý, protože 1 St = 1 cm 2 / s = 10 −4 m 2 / sa 1 cSt = 1 mm 2 / s = 10 –6 m 2 / s.

Obecná definice viskozit

V obecném případě je tenzor viskózních napětí dán vztahem:

Tuto rovnici můžeme napsat ve tvaru:

je druhá viskozita .

Je třeba poznamenat, že některá díla převracejí definice objemové viskozity a druhé viskozity.

Stokes hypotéza předpokládá, že viskozita objem je nulový:

  nebo  

Prodloužení viskozity

Termín elongační viskozita se v reologii používá k charakterizaci toku nestlačitelného tělesa vystaveného jednoosému namáhání. Tažná viskozita je platná (Troutonův zákon).

Turbulentní viskozita

Turbulentní viskozita je množství použité k popisu turbulentního rozptylu. Je analogem dynamické viskozity pro vztah napětí-deformace v médiu, ale není charakteristikou tohoto média a jeho výraz musí být přizpůsoben každé fyzické situaci.

Viskozita plynu

Viskozitu čistých plynů a směsí lze vypočítat metodou Chapman-Enskog pomocí interakčního potenciálu molekula-molekula, jako je Lennard-Jonesův potenciál . Tato makroskopické dopravní vlastnost (kontinuální doména) je obraz převody hybnosti v molekulárním měřítku, které zvyšují se silou srážek, tedy s teplotou, a které proti advekce o hybnosti. Uprostřed.

Čisté látky

Dynamická viskozita čistého tělesa je dána následujícím výrazem (indexy jsou pro kolizi druhů i se sebou)

kde je teplota, molární hmotnost , číslo Avogadrova , Boltzmannova konstanta , průřez a kolize integrální sníží svou hodnotou za použití potenciálních tuhých koulí . Tento termín slabě závisí na teplotě, je tedy blízký jednotě. Vezmeme- li to, najdeme aproximaci média složeného z dokonale elastických tvrdých koulí . Termín představuje počet kolizí za jednotku času.

Množství je často k dispozici v databázích ve formě tabulek nebo v polynomiální formě

kde může být záporná.

Tento typ aproximace se také používá k numerickému vyjádření .

Směsi plynů

Dynamická viskozita plynné směsi těl je řešením lineárního algebraického systému řádu a pořadí . Vyjadřuje se tedy ve formě, kde je hmotnostní zlomek druhu ve směsi. Ve více či méně širokém poli existuje řada přesných aproximací (viz obrázek naproti):

Digitální data

Četná a spolehlivá data jsou obsažena v kompilaci provedené Yeramem Sarkisem Touloukianem . Některé hodnoty této databáze jsou uvedeny v následující tabulce.

Tělo Viskozita ( Pa s )
vodík
8,79 × 10 −6
dinitrogen 1,754 × 10 −5
vodní pára
8,85 × 10 −6

Viskozita kapalin

Pro kapaliny neexistuje žádná teorie, kterou lze kvalifikovat jako přesnou, jako je Chapman-Enskogova metoda. Zobecnění této metody Davidem Enskogem přináší pouze kvalitativní výsledky. Potíž je v tom, že molekula má mnoho sousedů, se kterými interaguje. Jeho pohyb je spojen s přítomností volného místa v jeho blízkosti. Jak se mobilita zvyšuje s teplotou, usnadňuje se fenomén migrace, což vysvětluje pokles viskozity. Jediné přesné výpočty jsou výpočty molekulární dynamiky, které simulují médium v ​​molekulárním měřítku. Tato představa volného místa však umožnila Henrymu Eyringovi navrhnout teorii, kde energie tepelného míchání umožňuje molekule překonat potenciální bariéru oddělující ji od tohoto místa v duchu Eyringovy rovnice . Frekvence přeskakování vzdálenosti oddělující molekulu od sousedního volného místa je:

kde je volná aktivační energie umožňující únik z „klece“, kde se molekula nachází.

Čisté látky

V praxi se používají různé přibližné fyzikální metody (neúplný seznam):

kde a jsou hodnoty normalizované údajně relevantní veličinou, proměnnou od jednoho autora k druhému. Tato metoda se používá k získání viskozity tělesa z viskozity tělesa, o kterém je známo, že sousedí.

Pro vodu při tlaku nasycených par se často používají numerické aproximace , jako jsou následující  :

Porovnání s opačnou křivkou ukazuje, že je platná až do přibližně 600  K.

Směsi

Běžně se používá empirický směšovací zákon (nebo jeho varianty)

je objemový zlomek (molární).

Číselné hodnoty

Data jsou obsažena v různých kompilacích, z nichž dva jsou uvedeny níže.

Dynamická viskozita za normálního tlaku
Tělo Teplota ( ° C ) Viskozita ( Pa s )
Voda 0 1,753 × 10 -3
20 1,005 × 10 −3
50 0,535 × 10 -3
100 0,277 × 10 -3
Rtuť 20 1,526 × 10 -3

Kromě toho lze najít mnoho typických hodnot pro newtonovské tekutiny, které nejsou nutně dokonale definovány.

Dynamická viskozita za normálního tlaku
Tělo Teplota ( ° C ) Viskozita ( Pa s )
Miláček 20 2 až 10
Čínský inkoust 20 5,75 × 10 −3
Petrolej 20 0,65 × 10 -3
Rozteč 10-30 2,3 × 10 8
Kinematická viskozita
Tělo Teplota ( ° C ) Viskozita ( cSt )
Olej 40 64 až 166

Speciální případy

Některá tělesa, například brýle, se kontinuálně mění z pevného stavu do kapalného. Viskozita oxidu křemičitého byla měřena v 1 x 10 6  Pa.s do 1200  K a 80  Pa.s do 2600  K .

Někdy najdeme hodnoty viskozity pro smykové ředění a tixotropní tělesa, jako je krev nebo silně nenewtonské, jako je polykrystalický led. Na tyto hodnoty je třeba pohlížet opatrně.

„Viskozita krve“ je parametr, který se může lišit v závislosti na věku a druhu zvířat (a proto je také zajímavý pro veterináře ). U lidí, protože ovlivňuje krevní tlak , je důležitým ukazatelem kardiovaskulárního zdraví, který také souvisí s inzulínovou rezistencí a Raynaudovým fenoménem .

Objemová viskozita

Objemová viskozita je v mechanice tekutin obecně opomíjena, přičemž termín kvůli smyku je převládající. Existují však protiklady, například šíření zvuku v plynech.

Toto množství je výsledkem nepružných srážek, pro které je vnitřní energie (spojená s vibracemi a rotací) interagujících druhů srážkou upravena. V případě vzácných plynů je to tedy zanedbatelné .

Nejjednodušší výraz se získá pro ideální plyn v mezích vln o nízkých frekvencích a nízkých amplitudách:

kde je tepelná kapacita při konstantním objemu spojeného s vnitřním režimu i vyznačující se relaxační čas ▼ se , p je tlak, R je univerzální konstanta ideálních plynů a y je adiabatický index .

Níže jsou uvedeny některé charakteristické hodnoty při 293 K a při normálním tlaku. Všimli jsme si, že některá tělesa jako vodík nebo vodní pára mají ve srovnání s dynamickou viskozitou vysokou viskozitu.

Tělo χ ( Pa s ) χ / η
Dihydrogen 2,65 × 10 −4 30.1
Dinitrogen 1,28 × 10 −5 0,73
Vodní pára 6,73 × 10 −5 7.6

Ztráta kinetické energie viskozitou

Pomocí výpočtu tenzoru lze vypočítat nevratný rozptyl kinetické energie v tepelné energii , kde označuje kinetickou energii na jednotku objemu. V nestlačitelném případě má formu:

kde a procházející kartézskou základnou jít od 1 do 3 ( Einsteinova konvence ).

Ve válcových souřadnicích dostaneme:

Vyjádření celkového viskózního rozptylu může mít několik forem. V případě nestlačitelné kapaliny, jejíž rychlost je nulová na okraji pole, tedy máme:

Ve skutečnosti s výše uvedenými hypotézami máme:

Obecně je upřednostňován tvar zahrnující symetrickou část tenzoru, protože je známo, že jeho antisymetrická část nevytváří rozptyl.

Opatření

Měření dynamické viskozity se provádí pomocí viskozimetru nebo reometru . Pro objemovou viskozitu se používá akustický reometr  (en) .

Databáze

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. Rovněž najdeme aproximace zahrnující termíny v .
  2. 1 cSt = 10 −6  m 2 / s

Reference

  1. (in) "  dynamická viskozita  " Kompendium chemického názvosloví [ "  Gold Book  "], IUPAC 1997, opravené verze on-line (2006), 2 th  ed.
  2. Systém SI měrných jednotek , IV - Mechanické jednotky , ministerstvo hospodářství, financí a průmyslu .
  3. Oficiální texty , 28. února 1982, Generální ředitelství pro konkurenceschopnost, průmysl a služby .
  4. (en) Joseph Oakland Hirschfelder , Charles Francis Curtiss a Robert Byron Bird , Molekulární teorie plynů a kapalin , John Wiley and Sons ,1966( ISBN  978-0-471-40065-3 ) , „Kap. 8: Přepravní jevy ve zředěných plynech »
  5. (in) Carl L. Yaws, Transportní vlastnosti chemikálií a uhlovodíků , Amsterdam / Boston, Gulf Professional Publishing,2014, 715  s. ( ISBN  978-0-323-28658-9 )
  6. (in) Gilberto Medeiros Kremer , „  Metody Chapman-Enskog a Grad a aplikace  “ , RTO-EN-AVT 194 , 2011 [1]
  7. (en) Yeram Sarkis Touloukian , SC Saxena a P. Hestermans, viskozita , sv.  11, IFI / Plenum Press ,1975( ISBN  0-306-67031-3 , číst online )
  8. (en) Georges Duffa, Ablative Thermal Protection System Modeling , AIAA ,2013, 431  str. ( ISBN  978-1-62410-171-7 )
  9. CK Zéber-Mikkelsen, „  Studium viskozity uhlovodíkových kapalin za podmínek nádrže - modelování a měření  “, Technická univerzita v Dánsku ,2001( ISBN  9788790142742 , číst online )
  10. (in) J. Lohrenz a BG Bray, „  Výpočet viskozit rezervoárových kapalin z jejich složení  “ , Journal of Petroleum Technology , sv.  16, n o  10,1964, str.  1171–1176 ( DOI  10.2118 / 915-PA )
  11. (in) Tarik Al Shemmeri, Engineering Fluid Mechanics , Ventus Publishing ApS,2012( ISBN  978-87-403-0114-4 , číst online )
  12. (en) „  Dynamická viskozita běžných kapalin  “ , na The Engineering Toolbox
  13. (in) S. Yanniotis, S. a S. Skaltsi Karaburnioti, „  Vliv obsahu vlhkosti na viskozitu medu při různých teplotách  “ , Journal of Food Engineering , sv.  72, n O  4,2006, str.  372–377 ( DOI  10.1016 / j.jfoodeng.2004.12.017 )
  14. (in) R. Edgeworth, BJ Dalton a T. Parnell, „  The pitch drop experiment  “ , European Journal of Physics , sv.  5, n O  4,1984, str.  198–200 ( DOI  10.1088 / 0143-0807 / 5/4/003 )
  15. R. Greve a H. Blatter, Dynamika ledových štítů a ledovců , Springer ,2009( ISBN  978-3-642-03414-5 , DOI  10.1007 / 978-3-642-03415-2 , číst online )
  16. Desliens, L., a Desliens, R. (1959). Krevní viskozimetrie u zvířat . Druhá poznámka - Hodnota a variace viskozity krve v normálním stavu. Bulletin Francouzské veterinární akademie.
  17. Desliens, L., a Desliens, R. (1964). Viskozita krve u zvířat (pokračování). Různé nemoci. Přehled aplikací krevní viskozimetrie. Věstník Francouzské veterinární akademie.
  18. Desliens, L., a Desliens, R. (1963). Viskozita krve u zvířat (5. poznámka). Bulletin Francouzské veterinární akademie.
  19. Martinet A (1912) Arteriální tlaky a viskozita krve . Masson.
  20. Brun, JF, Monnier, JF, Kabbaj, H., & Orsetti, A. (1996). Viskozita krve koreluje s inzulínovou rezistencí . Journal of Vascular Diseases, 21 (3), 171-174
  21. Lacombe, C., Mouthon, JM, Bucherer, C., Lelievre, JC, & Bletry, O. (1992). Raynaudův jev a viskozita krve. Journal of Vascular Diseases]. Dodatek B, 17, 132-135.
  22. Raymond Brun, Úvod do dynamiky reaktivních plynů , Toulouse, Cépaduès ,2006, 364  s. ( ISBN  2-85428-705-3 )
  23. (en) MS Cramer, „  Numerické odhady objemové viskozity ideálních plynů  “ , Physics of Fluids , sv.  24,2012( číst online )
  24. (in) A. Salih, „  Conservation Equations of Fluid Dynamics  “ , Ústav leteckého inženýrství, Indický institut kosmických věd a technologií, Thiruvananthapuram ,2011( číst online ).

Podívejte se také

Související články

externí odkazy

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">