Теплофизические свойства водяного пара: плотность, теплоемкость, теплопроводность

Вязкость воды

Вязкость воды – одно из ее ключевых свойств, с которым мы сталкиваемся ежедневно. Кинематическая вязкость этой самой популярной на планете жидкости при температуре 0 °С составляет 1,789 •106 м2/с. Динамическая вязкость воды при температуре 20 °С будет 1,004•10-3 Па•с.

Данный параметр очень важен для здоровья и жизнедеятельности человека:

• от него зависит вязкость крови всех живых существ;
• если бы вода имела меньшую вязкость, то у человека разрушились бы тонкие структуры капилляров;
• подземные воды способны двигаться, в том числе направляясь к земной поверхности;
• за счет своей небольшой вязкости вода очень текуча и переносит большое число растворенных взвешенных частиц.

Для перекачивания воды подходят все типы насосов, но чаще всего используются центробежные.

Стеклянные капиллярные вискозиметры

Для измерения вязкости прозрачных жидкостей служат вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2, типа Пинкевича, ВПЖМ, а для непрозрачных — ВНЖ (рис. 204).

Кинематическая вязкость жидкости v равна произведению времени т истечения через капилляр определенного ее объема на постоянную вискозиметра C. Постоянная C не зависит от температуры и определяется только геометрическими размерами вискозиметра.

Для определения постоянной вискозиметра пользуются эталонными жидкостями с известной кинематической вязкостью. Измеряя время истечения определенного объема эталонной жидкости определяют постоянную вискозиметра:

Вискозиметры выпускаются с разными капиллярами, причем диаметр капилляра резко сказывается на постоянной вискозиметра. В каждом наборе имеется по девять вискозиметров, диаметры внутренних капилляров которых варьируются в пределах 0,34-5,5 мм, что соответствует значениям С = 0,003-30 сСт/с. Набор вискозиметров типа Пинкевича состоит из 11 вискозиметров с диаметрами капилляров от 0,4 до 4,0 мм.

В качестве эталонной жидкости при калибровке вискозиметров для маловязких жидкостей может служить свежеперегнанная дистиллированная вода, кинематическую вязкость которой принимают равной 1,0067 сСт/с при 20 °С и 0,89748 сСт/с при 25 °С.

По существующему положению каждый капиллярный вискозиметр заводского изготовления должен снабжаться паспортом, в котором указана его постоянная. Так, вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВНЖ выпускаются со значением постоянной С: 0,003; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1; 3; 10 и 30 сСт/с. Постоянная вискозиметров типа ВПМЖ составляет 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 1 и 3 сСт/с.

Динамическая вязкость газов и паров в интервале температуры от -220 до 1000°С

В таблице представлена динамическая вязкость газов и паров в зависимости от температуры (при отрицательной и положительной температуре).

Динамическая вязкость газов в таблице выражена в Па·сек с множителем 10-8. Например, коэффициент динамической вязкости азота N₂ при нормальных условиях (при температуре 0°С и нормальном атмосферном давлении) равен 1665·10-8 или 0,00001665 Па·с.

Указана динамическая вязкость следующих газов и паров: азот N₂, окись азота NO, закись азота N₂O₅, аммиак NH₃, аргон Ar, водород H₂, водяной пар H₂O, воздух, гелий He, кислород O₂, криптон Kr, ксенон Xe, метан CH₄, неон Ne, сернистый газ SO₂, углекислый газ CO₂, окись углерода CO, этан C₂H₆, этилен C₂H₄.

По данным таблицы видно, что наиболее вязким газом при комнатной температуре является газ неон — вязкость неона равна 3113·10-8 Па·с.

Что за явление — динамическая вязкость воды?

Отличительной особенностью является вязкость воды, сопротивляющаяся перемещению частиц в отношении друг друга. Она подразделяется на объемную и тангенциальную. Объёмная сопротивляется растяжению, она начинает действовать при распространении в воде различных звуковых волн. Тангенциальная вязкость способна оказывать сопротивление сдвигающему усилию.

Характерным свойством воды является текучесть, с которой мы сталкиваемся постоянно. Вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести. Между отдельными молекулами возникает сила трения, и чтобы сдвинуть их с места, необходимо приложить усилие. Такое явление получило в науке название «динамическая вязкость воды», которую можно увеличить, если в воде растворить какие-либо вещества. Это могут быть различные соли. Динамическую вязкость воды еще называют абсолютной, ее можно узнать с помощью произведения плотности жидкости на ее кинематическое сопротивление.

Такая пониженная текучесть потока, где линейная скорость под воздействием давления сдвига в 1 ньютон на метр квадратный имеет градиент один метр в секунду на одном метре расстояния, перпендикулярного к плоскости сдвига, является единицей измерения абсолютной (динамической) вязкости. Ее измеряют при помощи коэффициента динамической вязкости (μ, η). Например, в морской воде, где присутствуют неорганические соединения, сопротивление воды намного выше, чем у пресной. Это можно почувствовать, даже плавая в ней: если сравнить воду Азовского и Средиземного моря, то во втором варианте человек быстрее научится плавать, так как там вода более соленая.

Вязкость грунта

Грунт — многокомпонентное геологическое образование, включающее в себя почвы, различные горные породы, являющееся объектом инженерно-строительной деятельности человека.

Вязкость грунтов определяет их сопротивление течению под воздействием внешних сил. Этот показатель зависит от их структуры, химико-минералогического состава. Коэффициент вязкости для грунтов разного типа колеблется в широких диапазонах: от 102–104 пз для илов до 1022 пз для известняка. С увеличением плотности грунта его вязкость, а кроме того, порог ползучести увеличиваются.

По величине вязкости данной среды выделяются:

• наименее вязкие горные породы (тощие глины, гипсы, соли, тонкослоистые алевролито-глинистые толщи);
• слабовязкие породы (песчано-глинистые, тонкослоистые известняково-мергелистые, флишевые толщи);
• сильно вязкие породы (слабослоистые песчаниковые, конгломератовые, карбонатные, вулканогенные);
• наиболее вязкие породы (кристаллические сланцы, граниты, гнейсы).

Зависимость вязкости моторного масла от температуры

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.

Пример: отечественное масло M10ДМ (или М10Г2к) – минеральное масло (индекс вязкости ИВ ~100…110), запуск двигателя (при исправном состоянии) при -15 °С затруднен; Shell Rimula D 10W-30 (ИВ~130) – запуск двигателя при его исправном состоянии гарантирован при -25 °С – почувствуйте разницу!

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 температурах.

Теоретически, все производители моторных масел хотели бы получить продукт с максимально высоким индексом вязкости (> 300), но к сожалению, это невозможно по причине ряда физических законов. Высококачественные минеральные моторные масла обычно имеют индекс вязкости (ИВ) 120-140, полусинтетические 130-150, синтетические 140-170. На канистрах, этикетках, этот параметр, как правило, не указывается, из-за «излишней сложности восприятия» для потребителя. Вы всегда можете потребовать от представителя производителя масла. Она не является секретной или конфиденциальной!

1. Вязкость – (внутреннее трение) – свойство жидких и газообразных тел оказывать сопротивление их течению – перемещению одного слоя тела относительно другого – под действием внутренних сил. Может быть выражена в единицах вязкости кинематической, динамической, условной и удельной. Физическая модель вязкости жидкого или газообразного тела – это сила, которую необходимо приложить для равномерного перемещения одной пластины относительно покоящейся, при условии, что их разделяет жидкость или газ, отнесенная к площади пластины. В этом случае приложенная сила оказывается равной абсолютной (динамической) вязкости.
2. Кинематическая вязкость – основной эксплуатационный параметр для всех видов моторных и трансмиссионных масел (а также и масел индустриальной номенклатуры). По определению – отношение динамической вязкости ( h ) к плотности ( d ) жидкости или газа при той же температуре: n = h / d

В системе СИ за единицу кинематической вязкости принят квадратный метр за секунду (м2/с), равный кинематической вязкости, при которой динамическая вязкость среды с плотностью 1 кг/м3 равна 1 Па Ч с. В системе СГС принят стокс.

Влияние на работу двигателя: от вязкости масла зависят следующие факторы

1. Толщина образуемой масляной пленки в парах трения (надежность разделения трущихся поверхностей при высоких температурах, стойкость к разрушению до добавления противоизносных присадок)
2. Легкость пуска двигателя в холодную погоду
3. Мощность двигателя (потери на трение, компрессия в ЦПГ)
4. Коэффициент полезного действия двигателя
5. Количество осадков образующихся в картерном масле
6. Расход топлива
7. Расход масла

Вязкость аморфных материалов

Вязкость аморфных материалов (например, стекла или расплавов) — это термически активизируемый процесс:

η(T)=Aexp⁡(QRT),{\displaystyle \eta (T)=A\exp \left({\frac {Q}{RT}}\right),}

где

Q{\displaystyle Q} — энергия активации вязкости (Дж/моль);

T{\displaystyle T} — температура (К);

R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·К);

A{\displaystyle A} — некоторая постоянная.

Вязкое течение в аморфных материалах характеризуется отклонением от закона Аррениуса: энергия активации вязкости Q{\displaystyle Q} изменяется от большой величины QH{\displaystyle Q_{H}} при низких температурах (в стеклообразном состоянии) на малую величину QL{\displaystyle Q_{L}} при высоких температурах (в жидкообразном состоянии). В зависимости от этого изменения аморфные материалы классифицируются либо как сильные, когда (QH−QL)<QL{\displaystyle (Q_{H}-Q_{L})<Q_{L}}, или ломкие, когда (QH−QL)⩾QL{\displaystyle (Q_{H}-Q_{L})\geqslant Q_{L}}. Ломкость аморфных материалов численно характеризуется параметром ломкости Доримуса RD=QHQL{\displaystyle R_{D}={\frac {Q_{H}}{Q_{L}}}}: сильные материалы имеют RD<2{\displaystyle R_{D}<2}, в то время как ломкие материалы имеют RD⩾2{\displaystyle R_{D}\geqslant 2}.

Вязкость аморфных материалов весьма точно аппроксимируется двуэкспоненциальным уравнением

η(T)=A1T(1+A2exp⁡BRT)(1+Cexp⁡DRT){\displaystyle \eta (T)=A_{1}T\left(1+A_{2}\exp {\frac {B}{RT}}\right)\left(1+C\exp {\frac {D}{RT}}\right)}

с постоянными A1{\displaystyle A_{1}}, A2{\displaystyle A_{2}}, B{\displaystyle B}, C{\displaystyle C} и D{\displaystyle D}, связанными с термодинамическими параметрами соединительных связей аморфных материалов.

В узких температурных интервалах недалеко от температуры стеклования Tg{\displaystyle T_{g}} это уравнение аппроксимируется формулами типа VTF или сжатыми экспонентами Кольрауша.

Пример вязкости стёкол

Если температура существенно ниже температуры стеклования, T<Tg{\displaystyle T<T_{g}}, двуэкспоненциальное уравнение вязкости сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=ALTexp⁡(QHRT){\displaystyle \eta (T)=A_{L}T\exp \left({\frac {Q_{H}}{RT}}\right)}

с высокой энергией активации QH=Hd+Hm{\displaystyle Q_{H}=H_{d}+H_{m}}, где Hd{\displaystyle H_{d}} — энтальпия разрыва соединительных связей, то есть создания конфигуронов, а Hm{\displaystyle H_{m}} — энтальпия их движения. Это связано с тем, что при T<Tg{\displaystyle T<T_{g}} аморфные материалы находятся в стеклообразном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей неразрушенными.

При T≫Tg{\displaystyle T\gg T_{g}} двуэкспоненциальное уравнение вязкости также сводится к уравнению типа Аррениуса

η(T)=AHTexp⁡(QLRT),{\displaystyle \eta (T)=A_{H}T\exp \left({\frac {Q_{L}}{RT}}\right),}

но с низкой энергией активации QL=Hm{\displaystyle Q_{L}=H_{m}}. Это связано с тем, что при T≫Tg{\displaystyle T\gg T_{g}} аморфные материалы находятся в расправленном состоянии и имеют подавляющее большинство соединительных связей разрушенными, что облегчает текучесть материала.

Вязкость газов

В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

η=13⟨u⟩⟨λ⟩ρ{\displaystyle \eta ={\frac {1}{3}}\langle u\rangle \langle \lambda \rangle \rho },

где ⟨u⟩{\displaystyle \langle u\rangle } — средняя скорость теплового движения молекул, ⟨λ⟩{\displaystyle \langle \lambda \rangle } − средняя длина свободного пробега. Из этого выражения в частности следует, что вязкость не очень разреженных газов практически не зависит от давления, поскольку плотность ρ{\displaystyle \rho } прямо пропорциональна давлению, а ⟨λ⟩{\displaystyle \langle \lambda \rangle } — обратно пропорциональна. Такой же вывод следует и для других кинетических коэффициентов для газов, например, для коэффициента теплопроводности. Однако этот вывод справедлив только до тех пор, пока разрежение газа не становится столь малым, что отношение длины свободного пробега к линейным размерам сосуда (число Кнудсена) не становится по порядку величины равным единице; в частности, это имеет место в сосудах Дьюара (термосах).

С повышением температуры вязкость большинства газов увеличивается, это объясняется увеличением средней скорости молекул газа u{\displaystyle u}, растущей с температурой как T{\displaystyle {\sqrt {T}}}

Влияние температуры на вязкость газов

В отличие от жидкостей, вязкость газов увеличивается с увеличением температуры (у жидкостей она уменьшается при увеличении температуры).

Формула Сазерленда может быть использована для определения вязкости идеального газа в зависимости от температуры:

μ=μT+CT+C(TT)32,{\displaystyle {\mu }={\mu }_{0}{\frac {T_{0}+C}{T+C}}\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)^{3/2},}

где:

• μ — динамическая вязкость в (Па·с) при заданной температуре T;
• μ — контрольная вязкость в (Па·с) при некоторой контрольной температуре T;
• T — заданная температура в Кельвинах;
• T — контрольная температура в Кельвинах;
• C — постоянная Сазерленда для того газа, вязкость которого требуется определить.

Эту формулу можно применять для температур в диапазоне 0 < T < 555 K и при давлениях менее 3,45 МПа с ошибкой менее 10 %, обусловленной зависимостью вязкости от давления.

Постоянная Сазерленда и контрольные вязкости газов при различных температурах приведены в таблице ниже:

Вязкость нефти

Нефть является маслянистой горючей жидкостью природного происхождения. Она состоит из сложной смеси углеводородов с разной молекулярной массой и некоторых других компонентов. Вязкость этой жидкости, как и плотность, представляет собой ее важнейшее физическое свойство. Ее значение колеблется в широких пределах и составляет 2–300 мм2/с (при температуре 20 °С), средний же показатель равен 40–60 мм2/с.

От вязкости нефти зависят ее технологические характеристики:

• подвижности ископаемого в пласте в процессе его добычи;
• скорость фильтрации в пласте;
• мощность применяемого насоса для выкачивания вещества;
• тип вытесняющего агента;
• условия транспортировки «черного золота» по нефтепроводу.

Показатель вязкости нефти позволяет примерно оценить ее состав: чем выше это значение, тем больше в веществе молекулярный вес фракций. Высоковязкая нефть (более тяжелая) содержит много смолисто-асфальтеновых компонентов, что затрудняет процесс ее переработки. Такой продукт труднее транспортировать и перерабатывать.

Растворенный в нефти газ также влияет на ее вязкость: углеводороды разжижают продукт, а азот, напротив, повышает вязкость.

Для перекачивания нефти в промышленности применяют винтовые, поршневые и центробежные аппараты.

Вязкость масла

Растительные масла — это продукты, которые извлекаются из растительного сырья, состоят из жирных кислот и сопутствующих компонентов (воски, стеролы, красящие пигменты и пр.). Вязкость растительных масел обусловлена молекулярной массой жирных кислот, которые входят в их состав. Чем она больше, тем, соответственно, масло более вязкое.

В целом вязкость натуральных масел колеблется в узком диапазоне, она примерно в 158 раз больше вязкости воды. К примеру, вязкость оливкового масла составляет 84•10-3 Па•с, касторового — 987•10-3 Па•с.

Масло в промышленности перекачивают шестеренчатыми, роторными, винтовыми насосами.

Вязкость молока

Вязкость молока складывается из данного показателя воды, а также суммы приращений от вязкости дисперсной фазы и структурных связей. Данное свойство продукта напрямую зависит от содержания в нем жиров и казеина, состояния сывороточных белков и технологических режимов обработки (они вызывают изменение агрегатного состояния компонентов молока).

Вязкость продукта будет тем больше, чем выше массовая доля молочного жира и казеина, а также степень дисперсности среды. Так, этот показатель у обезжиренного молока в среднем равен 1,5•10-3 Па•с, у цельного питьевого — 1,8•10-3 Па•с, у молока, гомогенизированного при давлении 1500 Па, — 1,86•10-3 Па•с.

Вязкость молока и молочных продуктов возрастает с увеличением в них массовой доли сухих веществ. При нагревании данный показатель возрастает тогда, когда температура переходит за точку коагуляции сывороточных белков, что применяется в производстве сгущенного молока (его вязкость будет гораздо больше, чем у исходного продукта, — 3,6 Па•с).

Для перекачивания молока в промышленности востребованы различные типы насосного оборудования: пищевые центробежные, шестеренчатые, мембранные, перистальтические, импеллерные, насосы-дозаторы.

Вязкость теста

Тесто принадлежит к группе пластичных тел, сочетает в себе свойства жидкости и твердого тела. Поэтому оно должно иметь определенное соотношение упругих и вязких свойств. Это коллоидная система, имеющая эластичный элемент в виде соприкасающихся и слипающихся нитей и пленок, а в качестве вязкого элемента — массу из набухших зерен крахмала и раствора коллоидных веществ (белков, декстринов и пр.) и сахаров.

От вязкости теста зависит его пластичность. После прекращения растяжения продукт теряет напряжение. В растянутом жгутике теста сочетаются вязкость и эластичность, а напряжение постепенно уменьшается (затухает).

Более мягким и вязким тесто становится от сахара, однако при его избытке продукт начинает прилипать к рабочему оборудованию, а сами заготовки расплываются в процессе выпекания.

Для перекачивания теста в промышленности используют пищевые импеллерные и поршневые насосы.

Для чего используется масло?

Работа двигателя внутреннего сгорания предполагает непрерывное взаимодействие его конструктивных элементов. Представим на секунду, что мотор работает «на сухую». Что с ним произойдет? Во-первых, сила трения повысит температуру внутри устройства. Во-вторых, произойдет деформация и износ деталей. И, наконец, все это приведет к полной остановке ДВС и невозможности его дальнейшего использования.  Правильно подобранное моторное масло выполняет следующие функции:

Работа моторного масла

• защищает мотор от перегрева,
• предотвращает быстрый износ механизмов,
• препятствует образованию коррозии,
• выводит нагар, сажу и продукты сгорания топлива за пределы двигательной системы,
• способствует увеличению ресурса силового агрегата.

Таким образом, нормальное функционирование моторного отдела без смазывающей жидкости невозможно.

Важно! Заливать в мотор транспортного средства нужно только то масло, вязкость которого соответствует требованиям автопроизводителей. В этом случае коэффициент полезного действия будет максимальным, а износ рабочих узлов – минимальным

Доверять мнениям продавцов-консультантов, друзей и специалистов автосервисов, если они расходятся с инструкцией к автомобилю, не стоит. Ведь только производитель может знать наверняка, чем стоит заправлять мотор.

Вязкость сметаны

Сметана – кисломолочный продукт, получающийся посредством кисломолочного брожения из сливок и закваски. В процессе образования продукта участвуют белки и молочный жир. Последний в процессе затвердевания и кристаллизации увеличивает устойчивость структуры и вязкость сметаны. Сметана различается по проценту жирности (от 10 до 40 %) и, соответственно, степени калорийности.

Для получения сметаны нужной вязкости при ее производстве сливки пастеризуют при довольно высокой температуре (85–95 °С). Увеличению вязкости конечного продукта также способствует гомогенизация сливок.

Вязкость 15%-ной сметаны составляет 6,722 Па•с при температуре 10 °С.

Перекачивают сметану импеллерными, кулачковыми, винтовыми насосами.

Вязкость сахарного сиропа

Сахаром в быту называется сахароза. Свекловичный и тростниковый сахар (в виде песка и рафинада) — очень важный продукт питания. Сахароза относится к углеводам, питательным веществам, заряжающим организм энергией.

Сахарный сироп (основа многих мучных и кондитерских изделий) обладает определенной вязкостью. Она есть уже у самой воды, в составе данной среды. С повышением концентрации растворов вязкость сиропов увеличивается. При концентрации сахара свыше 80 % начинается процесс кристаллизации сахара.

Выделяют следующие разновидности сиропов.

1. Сахарно-паточный. Помимо растворенного в воде сахара содержит патоку. Имеет более высокую вязкость.

2. Инвертный. Обладает более низкой вязкостью, но повышенной гигроскопичностью.

3. Молочный. Растворителем здесь служит молоко (цельное, сухое, сгущенное, сливки), возможно добавление патоки. Данный сироп выступает основным полуфабрикатом при изготовлении молочных конфет, помадных масс.

Для перекачивания сиропов лучше всего подходят центробежные и кулачковые насосы.

Вязкость сыра

Сыр — это пищевой продукт, получаемый из молока путем введения молочнокислых бактерий, ферментов, способствующих его свертыванию, либо посредством плавления молочных продуктов.

Сыры классифицируются на твердые, мягкие, плавленые, рассольные. Показатель вязкости целесообразно рассматривать у плавленых сыров.

Вязкость данного продукта снижается при повышении содержания в нем влаги. На нее также влияет зрелость исходного сырья, вид и доза солей-плавителей, активная кислотность сыра. В слабой степени на вязкость влияет содержание в сырье жира, хотя он и увеличивает пластичность сырной массы.