Свойства жидкостей.
Вязкость.
Проект Мосунова Алексея.
Учитель: .
Оглавление:
- Введение
- Понятие вязкость Виды трения Почему придается большая важность выбору правильной вязкости моторного масла? Виды моторных масел Зависимость вязкости моторного масла от температуры. Классификация масел Кривая Штрибека От чего зависит текучесть Вывод Источники
Введение.
В школьном курсе физики мы изучали такие понятия как агрегатное состояние, плотность, температура, удельная теплоемкость, энергия, испарение конденсация и еще многие другие. Но меня заинтересовала такая характеристика жидкости как вязкость. Это свойство веществ попадается на слух достаточно редко, но оно очень активно применяется в нашей жизни. Мы просто этого не замечаем. Например, когда речь заходит о снижении трения деталей двигателя, необходимо понимать как поведет себя смазывающее вещество при разных условиях. постараемся разобраться как же изменяются свойства жидкостей в зависимости от ее температуры. Так же объясним все вытекающие из этого обстоятельства, а именно: физическое понятие; виды трения; все тонкости выбора правильного моторного масла.
Понятие вязкость.
Вязкость — свойство газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и др. Важно заметить что это свойство проявляется только при движении жидкостей и газов
Рассмотрим рисунок где верхняя пластина движется со скоростью υ под действием силы F, H – расстояние между пластинами, S – площадь пластин,
Если нижний и верхние слои жидкости прилепают к пластинам, то можно считать что скорость нижнего слоя жидкости равна нулю, а верхней — υ. Промежуточные слои движутся со скоростью, постепенно возрастающей от 0 до υ. Таким образом, существует разность скоростей между соседними слоями, и возникает взаимное скольжение слоев, которое приводит к проявлению силы внутреннего трения.
Сила внутреннего трения определяется формулой Ньютона:
Проще говоря F — тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоев жидкости (газа) друг относительно друга.
- градиент скорости течения (быстрота изменения ее от слоя к слою), иначе - скорость сдвига, где υ - скорость слоя жидкости на определенном расстоянии z от неподвижной пластины. Т. е. градиент скорости равен
.
В нашем случае можно записать 
Также существует касательное напряжение, которое определяет силу трения на еденицу площади. Оно будет равно:
Если между τ и γ имеется линейная зависимость, жидкость называется Ньютоновской.
- коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев. Он зависит от свойств жидкости, температуры и давления в жидкости. Коэффициент динамической вязкости в СИ измеряется в Па•с.
Величина, обратная коэффициенту(
), называется текучестью.
Жидкости у которых η не зависит от градиента скорости называются ньютоновскими. К ним относятся вода, масла, нефтепродукты и другие среды.
Наряду с коэффициентом динамической вязкости в гидрогазодинамике широко используют понятие коэффициента кинематической вязкости
- кинематическая вязкость.
Кинематическая вязкость измеряется в м2/с.
Виды трения.
Итак разберемся в видах трения.
Существует 3 вида трения:
1) Сухое
2) Граничное
3) Гидродинамическое
Вариант №3 идеален, но при слишком толстом слое масла начинается повышенный расход топлива.
Почему придается большая важность выбору правильной вязкости моторного масла?
Прежде всего, при создании двигателя, все производители заранее рассчитывают необходимую вязкость моторного масла. Моторное масло должно эффективно прокачиваться по масляным каналам и обеспечивать разделение поверхностей трения, т. е. создавать масляную пленку нужной толщины между этими поверхностями. При недостаточной толщине масляной пленки или ее отсутствии возможно возникновение контактов металл-металл, и, как следствие, повышенный износ и задиры/сваривание поверхностей.
Вязкость масла влияет на толщину масляной пленки, которая образуется между трущимися поверхностями. Чем выше вязкость масла, тем больше толщина масляной пленки, чем ниже вязкость, тем меньше толщина масляной пленки. В узлах, где конструктивно невозможно создание масляной пленки необходимой толщины, предотвращение износа осуществляется благодаря противоизносным/противозадирным присадкам масла.
Зависимость вязкости моторного масла от температуры.
Все было бы очень просто, если бы все детали двигателя работали в одних и тех же условиях трения и при одной и той же температуре. Однако это не так. Масло не должно иметь очень малую вязкость при высоких температурах, так как необходимо поддерживать нужное давление в системе и создавать смазывающую пленку между трущимися деталями. Масло не должно иметь большую вязкость при низких температурах, так как необходимо обеспечить холодный запуск двигателя и прокачивание насосом по системе смазки.
С ростом температуры вязкость моторного масла падает, т. е. масло становится более жидким. Вязкость масла может уменьшаться в интервале температур от 0°С до +100°С в сотни и тысячи раз. На практике этот эффект используется при замене масла – масло всегда меняют после прогрева двигателя, т. е. когда масло разжижается, иначе слить его максимально полно с двигателя нельзя.
«Обычное минеральное» моторное масло при 0°С гуще воды более чем в сотни и тысячи раз, а при +100°С всего лишь в десятки. Кинематическая вязкость моторного масла показывает именно «степень густоты» моторного масла. Она измеряется в сСт (сантиСтоксы или мм /с, 1 сСт = 1 мм /с).
Скорость падения кинематической вязкости с ростом температуры характеризуется индексом вязкости масла. Проще говоря, индекс вязкости показывает «степень разжижения» масла. Это безразмерная величина, т. е. не измеряется в каких-либо единицах (метрах, километрах, килограммах и т. д.) – это просто цифра!
Чем ниже индекс вязкости моторного масла, тем сильнее масло разжижается, т. е. толщина масляной пленки становится очень маленькой (а за этим следует повышенный износ). Чем выше индекс вязкости моторного масла, тем меньше масло разжижается, т. е. обеспечивается необходимая для защиты трущихся поверхностей толщина масляной пленки.
На практике, в случае реальных моторных масел, низкий индекс вязкости означает плохой запуск двигателя при низких температурах или плохая его защита от износа при высоких температурах.
Из этого можно сделать вывод:
Чем выше индекс вязкости моторного масла, тем в более широком температурном диапазоне (окружающей среды) масло обеспечивает работоспособность двигателя – обеспечивается более легкий пуск двигателя при низких температурах и достаточная толщина масляной пленки (и, соответственно, защита двигателя от износа) при высоких температура.
Виды моторных масел.
Моторное масло состоит из масляной основы и присадок. Основу получают либо из нефти, либо путем химического синтеза. Соответственно существуют минеральные и синтетические автомасла. Основа обладает всеми необходимыми свойствами, но использование ее в двигателе невозможно без добавления присадок. Присадки, добавляемые в моторы выполняют разные задачи такие как стабилизация вязкости на определенных температурах, уменьшение трения между частями мотора, очистка внутренних деталей двигателя. Определенный набор подобных присадок и отличает масла разных производителей и делает возможным использование его в определенном двигателе.
Классификация моторных масел.
Для классификации вязкости применяется всемирно принятый стандарт SAE, разработанный Обществом Автомобильных инженеров в США. Согласно классификации SAE масла делят на:
- Зимние масла при небольшой вязкости обеспечивают холодный пуск при низких температурах; но при высоких температурах не обеспечивают надеж-ного смазывания двигателя;
- Летние масла надежно смазывают двигатель при высоких температурах, но не обеспечивают холодный пуск при температуре воздуха ниже 0°С;
- Всесезонные масла при низких температурах обладают вязкостью зимних масел, а при высоких - летних.
Но стоит заметить что при высоких температурах вязкость моторного масла снижается и масляная пленка становится тоньше. Именно поэтому введен параметр HTHS. HTHS - это высокотемпературная вязкость при высокой скорости сдвига. HTHS измеряется в миллипаскалях в секунду.(мПа/с). HTHS — это вязкость моторного масла при температуре 150С и высокой скорости сдвига 106 с-1
Кривая Штрибека.
Зависимость вязкости жидкости от силы трения в первые обнаружил, по всей видимости, немецкий ученый Рихард Штрибек в 1902 г. Сейчас эта зависимость называется кривой Штрибека. Согласно найденной им зависимости, при возрастании вязкости масла в паре трения растет толщина пленки, разделяющей трущиеся поверхности. Если толщина пленки для данной пары трения достаточна, то поверхности трения надежно ею разделены, и износа деталей не происходит (гидродинамический режим трения). Если же толщина пленки недостаточна и поверхности трения могут касаться друг друга, то начинается износ (смешанный и граничный режимы трения).
Данная координатная плоскость разделена на 3 части:
- Повышенный износ (маленькая толщина масляной пленки, малая вязкость масла);
- Отсутствие износа (нормальная толщина масляной пленки, нормальная вязкость масла);
- Затруднительное передвижение деталей относительно друг друга (излишняя толщина пленки, повышенная вязкость масла).
От чего зависит текучесть.
Текучесть или вязкость жидкостей обусловлена подвижностью её частиц (молекул, атомов, ионов) друг по отношению к другу. А различная текучесть различных жидкостей объясняется неодинаковой подвижностью различных частиц. Если молекулы жидкости сложны, имеют сложное строение, то и их взаимная подвижность мала, так как молекулы как-бы сплетаются между собой, что мешает свободному перемещению.
Что касается изменения текучести одной и той же жидкости при изменении температуры, то это объясняется изменением размеров промежутков между её частицами. Например, с увеличением температуры расстояния между частицами жидкости увеличиваются, что облегчает их взамные перемещения частиц.
Для наглядного примера можно использовать крышку картонной коробки и горсть маленьких комочков из бумаги. Если положить комочки в крышку и наклонить ее, то бумажные шарики поползут в низ довольно медленно, но если же повторить тоже самое треся крышку(тем самым имитируя поведение молекул при нагреве), то шарики поскочут к краю крышки заметно быстрее.
Для измерения вязкости можно использовать элементарный прибор — вискозиметр. С его помощью можно измерить время протекания известного объёма жидкости через узкую трубку (капилляр) при известной разности давлений на входе и выходе из трубки. Соответственно, используется единица – 1 Па·с (паскаль-секунда).
Вывод.
Вязкость жидкости это очень важный параметр для механики. Без достаточных знаний об этом свойстве не было бы двигателей внутреннего сгорания. Хотя объяснение явлению текучести и вязкости достаточно простое для понимания, расчет нужной вязкости масла и его производство очень сложный и тщательный процесс.
Источники:
http://elit-oil. /s937857/iz_chego_sostoyat_masla_chto_takoe_baza_vidy_baz
http://ligis. ru/effects/science/94/index. htm
http://www. xumuk. ru/encyklopedia/853.html
http://www. oil-club. ru/maslo-s-kakim-hths-vybrat/
http://shell-yug. ru/info/articles/viazkost_masla_parametr-sae
http://www. /news/219/sae-0w-16-revolyutsionnyy-standart-ravenol-efe
http://dic. academic. ru/dic. nsf/enc_physics/442/%D0%92%D0%AF%D0%97%D0%9A%D0%9E%D0%A1%D0%A2%D0%AC
http://www. rostokino-lada. ru/ru/156000/2026/50/index. htm
http://smazka. ru/research/viscosity-motor-oils
http://studme. org/33907/tovarovedenie/vyazkost_zakon_nyutona_dlya_vnutrennego_treniya_zhidkosti
http://www. fizika. ru/fakultat/index. php? theme=7&id=7238
