Кинематическая вязкость жидкости¶

Кинематическая вязкость — физическая величина, характеризующая способность жидкости или газа сопротивляться течению под действием сил внутреннего трения с учётом плотности среды. Численно равна отношению динамической вязкости к плотности вещества и измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с) в системе СИ. Входит в число ключевых параметров при расчёте гидродинамических процессов, подборе смазочных материалов, проектировании трубопроводов и теплообменного оборудования.

¶Определение и физический смысл

Кинематическая вязкость обозначается греческой буквой ν (ню) и определяется формулой:

ν = μ / ρ,

где μ — динамическая (абсолютная) вязкость, Па·с; ρ — плотность среды, кг/м³.

Динамическая вязкость отражает силу внутреннего трения между слоями движущейся среды. Деление на плотность позволяет получить величину, зависящую от свойств самого вещества и температуры, но не от массы вовлечённого объёма. Название «кинематическая» подчёркивает связь с кинематикой движения: величина имеет размерность площади, делённой на время, и фактически описывает скорость распространения импульса в среде.

Физический смысл удобно иллюстрируется через число Рейнольдса Re = v·L / ν, где v — характерная скорость потока, L — характерный размер. Именно кинематическая вязкость определяет, будет ли течение ламинарным или турбулентным.

¶Единицы измерения

Основная единица СИ — квадратный метр на секунду (м²/с). На практике чаще применяются дольные единицы:

Сантистокс исторически сложился как основная рабочая единица в нефтяной, автомобильной и лакокрасочной отраслях. Вода при 20 °C имеет кинематическую вязкость около 1,004 сСт, что близко к единице и удобно для ориентировочных оценок.

¶Зависимость от температуры и давления

Для капельных жидкостей кинематическая вязкость резко убывает с ростом температуры. У масел при нагреве на 40–50 °C значение может снизиться в десятки раз. Эта зависимость описывается эмпирическими формулами, среди которых распространена зависимость Вальтера:

lg(lg(ν + 0,7)) = A − B·lg(T),

где A и B — индивидуальные константы для конкретной жидкости, T — абсолютная температура.

Для газов картина обратная: с ростом температуры вязкость увеличивается, поскольку перенос импульса определяется тепловым движением молекул. Влияние давления на кинематическую вязкость жидкостей незначительно вплоть до десятков мегапаскалей, тогда как для газов оно заметно уже при умеренных давлениях.

¶Методы измерения

Кинематическую вязкость определяют преимущественно косвенными методами — по времени истечения фиксированного объёма жидкости через калиброванное отверстие или капилляр.

• Капиллярные вискозиметры (типа Уббелоде, Пинкевича, ВПЖ) — основной лабораторный инструмент. Измеряется время протекания жидкости между метками, после чего значение вычисляется умножением времени истечения на постоянную прибора.
• Вискозиметры истечения (Энглера, Сейболта, Редвуда) — применяются в промышленности, результат выражается в условных градусах и переводится в сСт по таблицам.
• Ротационные вискозиметры — позволяют измерять динамическую вязкость, из которой кинематическая вычисляется через плотность.
• Вибрационные и ультразвуковые приборы — используются для оперативного контроля в потоке.

Стандартизация методов закреплена в ГОСТ 33 (для нефтепродуктов), ISO 3104 и ряде отраслевых документов.

¶Классификация жидкостей по вязкости

Различают ньютоновские и неньютоновские среды. У ньютоновских жидкостей (вода, минеральные масла, большинство растворителей) вязкость при данной температуре постоянна и не зависит от скорости сдвига. У неньютоновских (полимерные растворы, буровые растворы, кровь, краски) эффективная вязкость меняется с режимом течения, и понятие кинематической вязкости применяется с оговорками.

Для нефтяных масел введена классификация по вязкости, лежащая в основе маркировки: например, индустриальные масла И-20, И-40, И-100 обозначают приблизительное значение в сСт при 40 °C.

¶Применение

Кинематическая вязкость — обязательный параметр в ряде отраслей.

• Нефтепереработка и нефтехимия. Служит основой маркировки товарных нефтепродуктов, входит в паспорт качества дизельного топлива и масел.
• Машиностроение. Определяет выбор смазки для подшипников, редукторов, гидросистем; учитывается при расчёте потерь на трение.
• Трубопроводный транспорт. От неё зависят гидравлическое сопротивление, подбор насосов и режим перекачки.
• Строительство. Контролируется в битумах, битумных эмульсиях, лакокрасочных составах.
• Пищевая промышленность. Применяется при оценке свойств растительных масел, сиропов, молочных продуктов.
• Метеорология и авиация. Учитывается в расчётах атмосферных потоков и обтекания летательных аппаратов.

¶Значения для некоторых веществ

Значения для газов приведены в сСт для сопоставимости; в СИ они составляют порядка 10⁻⁵ м²/с.

¶Роль в гидродинамике

Через кинематическую вязкость выражаются фундаментальные критерии подобия. Число Рейнольдса определяет переход от ламинарного режима к турбулентному: для течения в круглой трубе критическое значение составляет примерно 2300. Уравнение Навье — Стокса для несжимаемой жидкости содержит член ν·∇²v, описывающий диффузию импульса. В пограничном слое толщина определяется соотношением вязких и инерционных сил, что напрямую влияет на сопротивление трения и теплоотдачу.

Источники: ГОСТ 33-2016, ISO 3104:2020, справочник по физическим величинам под редакцией Григорьева и Мейлихова, Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Гидродинамика», техническая документация производителей вискозиметров.