Оснащение производства
Лаборатория и Тестирование
Связь и Телекоммуникации
Безопасность и Спецтехника
Энергетика и Электротехника
Почему у вязкости несколько единиц измерения
Для вязкости одновременно применяют две системы единиц и два разных понятия. Первая причина историческая: до введения СИ физика и техника пользовались системой СГС, где динамическая вязкость выражалась в пуазах, а кинематическая — в стоксах. Эти названия до сих пор встречаются в старых методиках, паспортах импортного оборудования и прайсах. Вторая причина физическая: под «вязкостью» понимают то сопротивление сдвигу, то скорость течения под собственным весом, а это величины с разными единицами.
Поэтому, услышав число, прежде всего уточните, о какой величине речь и при какой температуре её измеряли. Как получают эти величины, мы рассказывали в статье «Измерение вязкости: методы, динамическая и кинематическая вязкость». Здесь же речь пойдёт о единицах и пересчёте.
Па·с, мПа·с, пуаз и сантипуаз: единицы динамической вязкости
Динамическая вязкость характеризует силу, необходимую для сдвига одного слоя жидкости относительно другого с заданной скоростью. Её определяют ротационными вискозиметрами, и все числа в паспортах этих приборов — диапазоны, погрешности — относятся именно к ней.
Паскаль-секунда и милипаскаль-секунда
Динамическую вязкость в СИ выражают в паскаль-секундах (Па·с). Для воды при 20 °C это примерно 0,001 Па·с — число неудобно мало, и на практике пользуются милипаскаль-секундой (мПа·с), где единицей служит тысячная доля паскаль-секунды. Вода при 20 °C имеет около 1 мПа·с. Растительное масло вязче её в десятки раз, мёд — в тысячи, битум при комнатной температуре — в миллионы. Для такого диапазона мПа·с удобна, поскольку числа остаются целыми и легко сравниваются.
Пуаз и сантипуаз
Пуаз (П) относится к СГС и назван в честь врача и физика Пуазёйля. 1 пуаз соответствует 0,1 Па·с, то есть 100 мПа·с. Чаще применяют его сотую долю — сантипуаз (сП), и здесь есть удобное равенство: 1 сП = 1 мПа·с. В сантипуазах и милипаскаль-секундах числа одинаковы, отличается лишь запись. По этой причине в вискозиметрии сантипуаз и сегодня используется наряду с СИ: пересчёт не нужен.
Как читать запись «вязкость мПа с» и «вязкость сантипуаз»
Запись «вязкость мПа с» (то есть мПа·с) буквально читается как «милипаскаль-секунда» — тысячная доля паскаль-секунды. Точка или пробел между «Па» и «с» обозначают умножение: паскаль умножается на секунду, а не делится на неё. Если вам встретилось «мПа/с», это ошибка записи, как правило имелась в виду мПа·с.
Обозначения «вязкость сантипуаз» и «сП» попадаются в спецификациях импортных материалов, в паспортах красок, смол, косметических основ и в описаниях вискозиметров. Их читают как «сантипуаз» и без пересчёта приравнивают к мПа·с. Следите за регистром: сП — сантипуаз, а сПз и cps — английские варианты той же единицы (centipoise) с тем же значением.
Запомнить просто: 1 мПа·с = 1 сП. Числа одинаковы, поэтому диапазон прибора «10–100 000 мПа·с» и диапазон «10–100 000 сП» — это одно и то же. Например, серия КАДАММ ВИС-Мизмеряет от 10 до 100 000 мПа·с; в сантипуазах тот же диапазон выглядит теми же цифрами.
Кинематическая вязкость: стокс, сантистокс и мм²/с
Кинематическую вязкость находят делением динамической на плотность; она показывает, насколько быстро жидкость течёт под собственным весом. Определяют её капиллярными вискозиметрами: фиксируют время течения, и прибор через постоянную капилляра пересчитывает его в вязкость.
Квадратный метр в секунду и мм²/с
В СИ кинематическую вязкость выражают в м²/с, однако число получается слишком малым для практики. Удобнее мм²/с: 1 м²/с = 1 000 000 мм²/с. У масел и топлив кинематическая вязкость на практике лежит от единиц до сотен мм²/с.
Стокс и сантистокс
Стокс (Ст) — единица СГС, названная в честь физика Стокса. Один стокс равен 1 см²/с, то есть 100 мм²/с. Его сотая доля — сантистокс (сСт), и здесь тоже есть удобное равенство: 1 сСт = 1 мм²/с. Потому в нефтяных методиках до сих пор указывают «мм²/с (сСт)», подразумевая одно и то же число.
Какие аппараты нужны для испытания нефтепродуктов и как оно проходит, изложено в статье «Кинематическая вязкость нефтепродуктов по ГОСТ 33 и ASTM D445».
Таблица перевода единиц вязкости
Далее приведены соотношения, достаточные для повседневной работы. Все они справедливы по определению и приближёнными не являются.
| Величина | Единица | Соотношение |
|---|---|---|
| Динамическая | Па·с | 1 Па·с = 1000 мПа·с = 1000 сП = 10 П |
| Динамическая | мПа·с | 1 мПа·с = 1 сП = 0,001 Па·с |
| Динамическая | сП (сантипуаз) | 1 сП = 0,01 П = 1 мПа·с |
| Динамическая | П (пуаз) | 1 П = 100 сП = 100 мПа·с = 0,1 Па·с |
| Кинематическая | мм²/с | 1 мм²/с = 1 сСт = 0,000001 м²/с |
| Кинематическая | сСт (сантистокс) | 1 сСт = 0,01 Ст = 1 мм²/с |
| Кинематическая | Ст (стокс) | 1 Ст = 100 сСт = 100 мм²/с = 1 см²/с |
| Связь величин | — | сСт = сП / плотность в г/см³ (при той же температуре) |
Только последняя строка таблицы требует ещё одного числа. Зная кинематическую вязкость и плотность, динамическую получают умножением: мПа·с = сСт × плотность в г/см³. Плотность и вязкость определяют при одинаковой температуре — иначе результат окажется неверным. Аппарат КАДАММ ВИС-КВИ измеряет плотность, вязкость и индекс вязкости в одной бане, поэтому вопрос согласования температур отпадает.
Условная вязкость: градусы ВУ, секунды и KU
Некоторые методики физической величины не дают. Результат записывают временем истечения или особой шкалой, и перевести его в мПа·с или мм²/с можно лишь приближённо.
Градусы ВУ (Энглер)
Градусы ВУ выражают условную вязкость как отношение времени, за которое испытуемая жидкость вытекает из стандартного прибора, ко времени вытекания воды; величина безразмерна. Условные градусы выдаёт вискозиметр Энглера КАДАММ ВИС-УВЭ (колба на 200 мл, баня с регулировкой от 0 до 100 °C). Перевод в кинематическую вязкость делают по таблицам и формулам методики, подробности — в статье «Условная вязкость: вискозиметр Энглера, градусы ВУ и пересчёт в кинематическую».
Секунды Сейболта и время истечения из воронки
Секунды Сейболта — это время, за которое 60 мл пробы вытекают из стандартного отверстия. Прибор КАДАММ ВИС-УВС отсчитывает время до 999,9 с, погрешность ±0,1 с. Воронки для красок (например, ВЗ-246) дают время истечения в секундах, и сравнивать результаты можно только на одной воронке. Прямо перевести их в единицы СИ нельзя: нужен ротационный прибор или таблица пересчёта конкретного производителя.
Единицы Кребса KU
Вискозиметр Стормера определяет нагрузку в граммах, необходимую, чтобы лопасть вращалась с заданной скоростью, и пересчитывает её в единицы Кребса (KU) — шкалу, принятую для лакокрасочных материалов. Серия КАДАММ ВИС-КУ охватывает 40–141 KU, чему отвечает нагрузка 32–1099 г; справочный диапазон в сантипуазах — 27–5274 сП. Способы оценки вязкости красок сравниваются в статье «Вязкость красок и ЛКМ: воронка ВЗ-246, Стормер (KU) или ротационный вискозиметр».
Рис. 1. Плотность связывает динамическую и кинематическую вязкость; условная вязкость пересчитывается только по таблицам методики
Как избежать ошибок при пересчёте единиц вязкости
На практике повторяется несколько типичных ошибок. Причина не в сложности расчёта, а в невнимательности.
Смешение динамической и кинематической вязкости
Диапазоны «5–100 сП» и «5–100 сСт» похожи по числам, но относятся к разным величинам. У воды они совпадают, у масла плотностью около 0,9 г/см³ расходятся на десять процентов, а у тяжёлых жидкостей разница ещё больше. Чтобы сопоставить паспортный диапазон прибора с требованием методики, сперва выразите оба числа через одну величину.
Температура не указана
Значение вязкости без указания температуры бессмысленно: у воды при 20 °C оно около 1 мПа·с, а при 40 °C заметно ниже, у масел разница ещё больше. Потому в протоколе фиксируют пару «значение и температура», а два результата сравнивают, только убедившись, что температуры одинаковы. Пробу стабилизируют жидкостными термостатами, а для температур ниже комнатной берут криостаты; в чём их отличие — в статье «Криостат и термостат: в чём разница».
Неньютоновская жидкость
Вязкость красок, суспензий и полимерных растворов зависит от скорости сдвига, поэтому «вязкость в мПа·с» без шпинделя и скорости вращения остаётся неопределённой. Как подбирать параметры и какую роль играет скорость, объяснено в статье «Как работает ротационный вискозиметр».
Ошибка в порядке
Чаще всего при расчётах путают пуаз и сантипуаз. Если старая методика требует «вязкость 2 пуаза», то это 200 сП, то есть 200 мПа·с, но не 2. Порядок числа полезно сверять с ориентиром: вязкость воды около 1 мПа·с, и любое полученное значение стоит соотнести с ним.
Как единицы вязкости указывают в характеристиках приборов
Для ротационных вискозиметров диапазон приводят в мПа·с, иногда со справкой в сантипуазах. Он определяется набором шпинделей и скоростей, а верхняя граница достигается на самом крупном шпинделе при минимальной скорости. У приборов с широким диапазоном, например КАДАММ ВИС-П (6 мПа·с — 320 млн мПа·с), всю шкалу перекрывают шпиндели классов LV, RV и HB. Связь класса с жёсткостью пружины и диапазоном изложена в статье «Вязкость по Брукфильду: классы LV, RV, HB, шпиндели, ГОСТ 25271 и ASTM D2196».
Погрешность прибора задают в процентах от верхнего предела шкалы, и на малых отсчётах относительная ошибка возрастает. Чтобы измерение было точным, шпиндель и скорость подбирают так, чтобы показание лежало в рабочей части шкалы. Как выбирать прибор и пружину, объясняет статья «Как выбрать ротационный вискозиметр». Если прибор нужен для конкретной пробы, а единицы диапазона вызывают вопросы, пришлите методику — инженеры КАДАММ подберут серию. Ротационные приборы собраны в разделе ротационные вискозиметры, а приборы условной вязкости — в разделе вискозиметры условной вязкости.