Aktualności

Lepkość dynamiczna a kinematyczna płynów

26-01-2021

Lepkość jest to parametr charakteryzujący opory przepływu, jakie stawia płyn (ciecz lub gaz) podczas przemieszczania się. Lepkość określa wewnętrzne tarcie płynu i jest odpowiednikiem współczynnika tarcia, występującego w przypadku wzajemnego przemieszczania się ciał stałych. Opory ruchu płynu zależą od struktury jego cząsteczek i są bezpośrednio odpowiedzialne za wielkość sił, jakie muszą być przyłożone, aby wymusić przepływ.

W przypadku płynów, wyróżnia się dwa rodzaje przepływu:

  • laminarny, mający miejsce wówczas, gdy warstewki płynu przesuwają się po sobie równolegle, bez zawirowań, gwałtownych zmian kierunku, pulsacji,
  • burzliwy (turbulentny), mający miejsce wówczas, gdy podczas ruchu płynu następują zawirowania.

Lepkość płynów jest funkcją temperatury. Maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Parametry jakości płynów są nazywane charakterystykami reologicznymi

  • Model przepływu laminarnego przedstawia rysunek. Dwie warstwy cieczy o powierzchni S, odległe od siebie o dx, poruszają się jedna z prędkością v, druga z prędkością v+dv. Przemieszczanie względem siebie dwóch warstw cieczy, wymaga siły F. Współczynnik proporcjonalności h, pomiędzy naprężeniem stycznym F/S a gradientem prędkości dv/dx, określa się jako lepkość dynamiczną cieczy.
  • Przy założeniu liniowej zależności między prędkością przepływu V i odległością między warstwami X, przekształcając odpowiednio wzór  (1) otrzymuje się wzór (2) na lepkość dynamiczną h:
  • Wielkość F/S jest wyrażana w jednostkach ciśnienia – paskalach [Pa], a wielkość X/V w sekundach [s]. Stąd, jednostką lepkości dynamicznej jest paskalosekunda [Pa×s], o wymiarze w  jednostkach  podstawowych [m-1×kg×s-1]. W praktyce jest używana jednostka 1000 razy mniejsza – milipaskalosekunda [mPa×s].

 

 

LEPKOŚĆ DYNAMICZNA

W przypadku płynów, deformacja zależy również od rodzaju wywołanego ruchu. Przyłożona siła wywołuje przepływ płynu. Wyróżnia się dwa rodzaje przepływu:

  • laminarny, mający miejsce wówczas, gdy warstewki płynu przesuwają się po sobie równolegle, bez zawirowań, gwałtownych zmian kierunku, pulsacji itp,

 

  • burzliwy (turbulentny), mający miejsce wówczas, gdy podczas ruchu płynu następują zawirowania.

 

W starszych opracowaniach, w stosowanym wówczas układzie jednostek CGS, jako jednostkę lepkości dynamicznej stosowano puaz  [P] lub jednostkę 100 razy mniejszą - centipuaz [cP]. Między jednostkami układu CGS, a stosowanymi obecnie jednostkami układu SI, istnieją zależności wyrażane wzorami :

Dla zobrazowania jednostki lepkości dynamicznej warto zapamiętać, że woda w temperaturze 20,2 0C ma lepkość dynamiczną 1 mPa×s, a lepkość dynamiczna oleju silnikowego, klasy lepkościowej SAE 15W/40, w temperaturze 15 0C, wynosi około 3500 mPa×s. 

Odwrotność lepkości dynamicznej nazywa się płynnością F i jest wyrażana wzorem:

Do podanych równań stosują się wszystkie gazy, natomiast nie wszystkie ciecze. Ciecze, które stosują się do tego równania, są nazywane cieczami newtonowskimi. Dla cieczy newtonowskich lepkość dynamiczna jest właściwością zależną tylko od ich właściwości fizycznych i stanu termodynamicznego, tzn. jest funkcją temperatury i ciśnienia:

Do cieczy newtonowskich należy większość substancji w stanie ciekłym, a w szczególności ciecze, mające małe cząsteczki i mieszaniny takich cieczy oraz roztwory ciał stałych, o małych cząsteczkach, w cieczach newtonowskich.

Ciecze, których lepkość dynamiczna jest związana z istnieniem nadcząsteczkowej, przestrzennej struktury i jest uzależniona od prędkości ścinania, są nazywane cieczami nienewtonowskimi. Lepkość tych cieczy jest nazywana lepkością strukturalną.

Lepkość cieczy zależy od ciśnienia. Wraz ze wzrostem ciśnienia zwiększa się lepkość. Zjawisko to ma znaczenie praktyczne przy projektowaniu układów hydraulicznych. Na ogół przyjmuje się, że dla cieczy naftowych  znajdujących się pod ciśnieniem do 25 MPa, zależność ta jest w przybliżeniu liniowa, co przedstawia wzór:

gdzie:

ηp          - lepkość dynamiczna oleju przy ciśnieniu p,

ηo          - lepkość dynamiczna oleju przy ciśnieniu atmosferycznym,

a            - współczynnik doświadczalny.

Dla ciśnień wyższych niż 25 MPa, wraz ze wzrostem ciśnienia, następuje znaczne zwiększenie lepkości. W tym zakresie jest stosowany wzór : 

 

LEPKOŚĆ KINEMATYCZNA 

Lepkość kinematyczną ν definiuje się jako stosunek lepkości dynamicznej η cieczy do jej gęstości ρ:

Jednostką lepkości kinematycznej w układzie SI, jest metr kwadratowy na sekundę [m2/s]. W praktyce używa się jednostki 106 razy mniejszej [mm2/s].

W układzie CGS, stosowaną jednostką lepkości kinematycznej jest stokes [St]. W praktyce używa się jednostki 100 razy mniejszej zwanej centystokesem [cSt].

Wzajemne relacje między tymi jednostkami są następujące:

1 St = 10-4m2/s                  1 cSt = 1 mm2/s

Aby przybliżyć te wielkości dodajmy, że w temperaturze 20 oC lepkość kinematyczna wody, wynosi około 1 mm2/s [1 cSt].

Pomiary lepkości kinematycznej cieczy są oparte o bezpośredni lub pośredni pomiar oporu, jaki stawia ciecz przy względnym ruchu w stosunku do ciała stałego. W praktyce lepkość kinematyczna jest obliczana na podstawie czasu przepływu, określonej objętości cieczy przez kalibrowaną kapilarę, w ściśle określonych warunkach pomiaru i w ściśle ustalonej temperaturze, i obliczana zgodnie z wzorem:

gdzie:

ν            - lepkość kinematyczna

k            - stała kapilary,

t             - czas przepływu cieczy o określonej objętości, przez kapilarę.

W celu zmierzenia lepkości kinematycznej jest niezbędna znajomość wartości k - tzw. stałej kapilary i czasu t - przepływu przez kapilarę ustalonej objętości cieczy. Stała kapilary jest wyznaczana przez pomiar czasu przepływu przez kapilarę, określonej objętości oleju wzorcowego o dokładnie znanej lepkości kinematycznej.

 

Nasi specjaliści pozostają do Państwa dyspozycji w zakresie udzielania porad technicznych na temat przeliczania jednostek lepkości płynów. W tym celu prosimy o kontakt z Działem Technicznym tel. +48 81 820 07 88 lub e-mail: biuro@gorner.pl

Działamy na terenie województw: dolnośląskie, mazowieckie, lubuskie, śląskie, opole, małopolskie, kujawsko-pomorskie, podlaskie, pomorskie, podkarpackie, łódzkie, warmińsko-mazurskie, świętokrzyskie, lubelskie, wielkopolskie, zachodniopomorskie.

Nasze produkty wysyłamy firmą spedycyjną  do takich miast jak: Warszawa, Białystok, Gdańsk, Gorzów Wlkp., Katowice, Kielce, Kraków, Lublin, Łódź, Olsztyn, Opole, Poznań, Rzeszów, Toruń, Wrocław, Bydgoszcz, Zielona Góra, Szczecin.