Koefisien viskositas adalah parameter kunci dari fluida atau gas yang bekerja. Dalam istilah fisika, viskositas dapat didefinisikan sebagai gesekan internal yang disebabkan oleh pergerakan partikel yang membentuk massa media cair (gas), atau, lebih sederhana, resistensi terhadap gerakan.
Apa itu viskositas
Eksperimen empiris paling sederhana untuk menentukan viskositas: jumlah air dan minyak yang sama dituangkan ke permukaan miring yang halus pada saat yang bersamaan. Air mengalir lebih cepat daripada minyak. Dia lebih cair. Oli yang bergerak dicegah agar tidak cepat terkuras oleh gesekan yang lebih tinggi antara molekulnya (resistensi internal - viskositas). Jadi, viskositas suatu cairan berbanding terbalik dengan fluiditasnya.
Rasio viskositas: rumus
Dalam bentuk yang disederhanakan, proses pergerakan fluida kental dalam pipa dapat dianggap dalam bentuk lapisan paralel datar A dan B dengan luas permukaan yang sama S, jarak antara h.
Kedua lapisan ini (A dan B) bergerak dengan kecepatan yang berbeda (V dan V+ΔV). Lapisan A, yang memiliki kecepatan tertinggi (V+ΔV), melibatkan lapisan B, yang bergerak dengan kecepatan lebih rendah (V). Pada saat yang sama, lapisan B cenderung memperlambat kecepatan lapisan A. Arti fisis dari koefisien viskositas adalah bahwa gesekan molekul, yang merupakan hambatan lapisan aliran, membentuk gaya yang dijelaskan Isaac Newton oleh rumus berikut:
F=× S × (ΔV/h)
Di sini:
- ΔV adalah perbedaan kecepatan lapisan aliran fluida;
- h – jarak antar lapisan aliran fluida;
- S – luas permukaan lapisan aliran fluida;
- Μ (mu) - koefisien yang bergantung pada sifat cairan, yang disebut viskositas dinamis absolut.
Dalam satuan SI, rumusnya seperti ini:
µ=(F × h) / (S × V)=[Pa × s] (Pascal × detik)
Di sini F adalah gaya gravitasi (berat) dari satuan volume fluida kerja.
Nilai viskositas
Dalam kebanyakan kasus, koefisien viskositas dinamis diukur dalam centipoise (cP) sesuai dengan sistem unit CGS (sentimeter, gram, detik). Dalam prakteknya, viskositas berhubungan dengan rasio massa cairan terhadap volumenya, yaitu dengan densitas cairan:
ρ=m / V
Di sini:
- ρ – kerapatan cairan;
- m – massa fluida;
- V adalah volume cairan.
Hubungan antara viskositas dinamis (Μ) dan densitas (ρ) disebut viskositas kinematik (ν – dalam bahasa Yunani –telanjang):
ν=/=[m2/s]
Omong-omong, metode untuk menentukan koefisien viskositas berbeda. Misalnya, viskositas kinematik masih diukur sesuai dengan sistem CGS dalam centistokes (cSt) dan dalam unit fraksional - stokes (St):
- 1St=10-4 m2/s=1 cm2/s;
- 1sSt=10-6 m2/s=1 mm2/s.
Menentukan viskositas air
Viskositas air ditentukan dengan mengukur waktu yang dibutuhkan fluida untuk mengalir melalui pipa kapiler yang dikalibrasi. Alat ini dikalibrasi dengan cairan standar yang viskositasnya diketahui. Untuk menentukan viskositas kinematik, diukur dalam mm2/s, waktu aliran fluida, diukur dalam detik, dikalikan dengan konstanta.
Satuan perbandingan adalah viskositas air suling, yang nilainya hampir konstan bahkan ketika suhu berubah. Koefisien viskositas adalah rasio waktu dalam detik yang dibutuhkan volume tetap air suling untuk mengalir keluar dari lubang yang dikalibrasi dengan fluida yang diuji.
Viskometer
Viskositas diukur dalam derajat Engler (°E), Saybolt Universal Seconds ("SUS") atau derajat Redwood (°RJ) tergantung pada jenis viskometer yang digunakan. Ketiga jenis viskometer hanya berbeda dalam jumlah cairan mengalir keluar.
Viskometer mengukur viskositas dalam derajat unit Eropa Engler (°E), dihitung200cm3 keluar media cair. Viskometer yang mengukur viskositas dalam Saybolt Universal Seconds ("SUS" atau "SSU" yang digunakan di AS) berisi 60 cm3 fluida uji. Di Inggris, di mana derajat Redwood (°RJ) digunakan, viskometer mengukur viskositas 50 cm3 cairan. Misalnya, jika 200 cm3 minyak tertentu mengalir sepuluh kali lebih lambat dari volume air yang sama, maka viskositas Engler adalah 10°E.
Karena suhu merupakan faktor kunci dalam mengubah koefisien viskositas, pengukuran biasanya dilakukan pertama kali pada suhu konstan 20°C, dan kemudian pada nilai yang lebih tinggi. Hasilnya dinyatakan dengan menambahkan suhu yang sesuai, misalnya: 10°BT/50°C atau 2.8°BT/90°C. Viskositas cairan pada 20 ° C lebih tinggi dari viskositasnya pada suhu yang lebih tinggi. Oli hidrolik memiliki viskositas berikut pada suhu masing-masing:
190 cSt pada 20 °C=45,4 cSt pada 50 °C=11,3 cSt pada 100 °C.
Terjemahkan nilai
Penentuan koefisien viskositas terjadi dalam sistem yang berbeda (Amerika, Inggris, GHS), dan oleh karena itu sering kali diperlukan untuk mentransfer data dari satu sistem dimensi ke sistem lainnya. Untuk mengubah nilai viskositas fluida yang dinyatakan dalam derajat Engler ke centistokes (mm2/s), gunakan rumus empiris berikut:
ν(cSt)=7,6 × °E × (1-1/°E3)
Misalnya:
- 2°BT=7,6 × 2 × (1-1/23)=15,2 × (0,875)=13,3 cSt;
- 9°BT=7,6 × 9 × (1-1/93)=68,4 × (0,9986)=68,3 cSt.
Untuk menentukan standar viskositas oli hidrolik dengan cepat, rumusnya dapat disederhanakan sebagai berikut:
ν(cSt)=7,6 × °E(mm2/s)
Memiliki viskositas kinematik dalam mm2/s atau cSt, Anda dapat mengubahnya menjadi koefisien viskositas dinamis menggunakan hubungan berikut:
M=×
Contoh. Meringkas berbagai rumus konversi untuk derajat Engler (°E), centistokes (cSt) dan centipoise (cP), misalkan oli hidrolik dengan densitas=910 kg/m3 memiliki viskositas kinematik 12° E, yang dalam satuan cSt adalah:
ν=7,6 × 12 × (1-1/123)=91,2 × (0,99)=90,3 mm2/dtk.
Karena 1cSt=10-6m2/s dan 1cP=10-3N×s/m2, maka viskositas dinamis akan menjadi:
M=ν ×=90,3 × 10-6 910=0,082 N×s/m2=82 cP.
Faktor viskositas gas
Ditentukan oleh komposisi (kimia, mekanik) gas, pengaruh suhu, tekanan, dan digunakan dalam perhitungan dinamis gas yang terkait dengan pergerakan gas. Dalam prakteknya, viskositas gas diperhitungkan saat merancang pengembangan lapangan gas, dimana perubahan koefisien dihitung tergantung pada perubahan komposisi gas (terutama penting untuk ladang kondensat gas), suhu dan tekanan.
Hitung viskositas udara. Prosesnya akan mirip dengandua aliran yang dibahas di atas. Misalkan dua aliran gas U1 dan U2 bergerak paralel, tetapi dengan kecepatan yang berbeda. Konveksi (saling penetrasi) molekul akan terjadi antar lapisan. Akibatnya, momentum aliran udara yang bergerak lebih cepat akan berkurang, dan aliran udara yang awalnya bergerak lebih lambat akan berakselerasi.
Koefisien viskositas udara, menurut hukum Newton, dinyatakan dengan rumus berikut:
F=-h × (dU/dZ) × S
Di sini:
- dU/dZ adalah gradien kecepatan;
- S – area tumbukan paksa;
- Koefisien h - viskositas dinamis.
Indeks viskositas
Indeks viskositas (VI) adalah parameter yang menghubungkan perubahan viskositas dan suhu. Korelasi adalah hubungan statistik, dalam hal ini dua kuantitas, di mana perubahan suhu disertai dengan perubahan sistematis dalam viskositas. Semakin tinggi indeks viskositas, semakin kecil perubahan antara dua nilai, yaitu viskositas fluida kerja lebih stabil dengan perubahan suhu.
Viskositas minyak
Dasar oli modern memiliki indeks viskositas di bawah 95-100 unit. Oleh karena itu, dalam sistem hidrolik mesin dan peralatan, fluida kerja yang cukup stabil dapat digunakan, yang membatasi perubahan viskositas yang luas pada kondisi suhu kritis.
Koefisien viskositas "menguntungkan" dapat dipertahankan dengan memasukkan aditif khusus (polimer) ke dalam minyak yang diperoleh selama penyulingan minyak. Mereka meningkatkan indeks viskositas minyak untukmemperhitungkan membatasi perubahan karakteristik ini dalam interval yang diijinkan. Dalam praktiknya, dengan pengenalan jumlah aditif yang diperlukan, indeks viskositas minyak dasar yang rendah dapat ditingkatkan menjadi 100-105 unit. Namun, campuran yang diperoleh dengan cara ini menurunkan sifat-sifatnya pada tekanan tinggi dan beban panas, sehingga mengurangi efektivitas aditif.
Di sirkuit daya sistem hidraulik yang kuat, fluida kerja dengan indeks viskositas 100 unit harus digunakan. Fluida kerja dengan aditif yang meningkatkan indeks viskositas digunakan dalam sirkuit kontrol hidraulik dan sistem lain yang beroperasi dalam rentang tekanan rendah / sedang, dalam rentang suhu terbatas, dengan kebocoran kecil, dan dalam operasi batch. Dengan meningkatnya tekanan, viskositas juga meningkat, tetapi proses ini terjadi pada tekanan di atas 30,0 MPa (300 bar). Dalam prakteknya, faktor ini sering diabaikan.
Pengukuran dan pengindeksan
Sesuai dengan standar ISO internasional, koefisien viskositas air (dan media cair lainnya) dinyatakan dalam centistokes: cSt (mm2/s). Pengukuran viskositas minyak proses harus dilakukan pada suhu 0 °C, 40 °C dan 100 °C. Bagaimanapun, dalam kode kadar oli, viskositas harus ditunjukkan dengan angka pada suhu 40 ° C. Dalam GOST, nilai viskositas diberikan pada 50 ° C. Nilai yang paling umum digunakan dalam hidraulik teknik berkisar dari ISO VG 22 hingga ISO VG 68.
Oli hidrolik VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 pada 40°C memiliki nilai viskositas yang sesuai dengan penandaannya: 22, 32, 46, 68, dan 100 cSt. Optimalviskositas kinematik fluida kerja dalam sistem hidrolik berkisar antara 16 hingga 36 cSt.
The American Society of Automotive Engineers (SAE) telah menetapkan rentang viskositas pada suhu tertentu dan memberi mereka kode yang sesuai. Angka yang mengikuti W adalah viskositas dinamis absolut pada 0°F (-17,7°C) dan viskositas kinematik ditentukan pada 212°F (100°C). Indeksasi ini berlaku untuk oli semua musim yang digunakan di industri otomotif (transmisi, motor, dll.).
Pengaruh viskositas pada hidrolik
Penentuan koefisien kekentalan suatu cairan tidak hanya untuk kepentingan ilmiah dan pendidikan, tetapi juga membawa nilai praktis yang penting. Dalam sistem hidrolik, fluida kerja tidak hanya mentransfer energi dari pompa ke motor hidrolik, tetapi juga melumasi semua bagian komponen dan menghilangkan panas yang dihasilkan dari pasangan gesekan. Viskositas fluida kerja yang tidak sesuai untuk mode operasi dapat secara serius mengganggu efisiensi semua hidrolika.
Viskositas tinggi dari fluida kerja (minyak dengan densitas sangat tinggi) menyebabkan fenomena negatif berikut:
- Peningkatan resistensi terhadap aliran fluida hidrolik menyebabkan penurunan tekanan yang berlebihan dalam sistem hidrolik.
- Deselerasi kecepatan kontrol dan gerakan mekanis aktuator.
- Pengembangan kavitasi pada pompa.
- Nol atau pelepasan udara terlalu rendah dari oli tangki hidrolik.
- Terlihathilangnya daya (penurunan efisiensi) hidrolika karena biaya energi yang tinggi untuk mengatasi gesekan internal fluida.
- Peningkatan torsi penggerak utama mesin yang disebabkan oleh peningkatan beban pompa.
- Naiknya suhu fluida hidrolik karena meningkatnya gesekan.
Jadi, arti fisis dari koefisien viskositas terletak pada pengaruhnya (positif atau negatif) terhadap komponen dan mekanisme kendaraan, mesin dan peralatan.
Kehilangan tenaga hidrolik
Viskositas fluida kerja yang rendah (minyak dengan densitas rendah) menyebabkan fenomena negatif berikut:
- Penurunan efisiensi volumetrik pompa sebagai akibat dari peningkatan kebocoran internal.
- Peningkatan kebocoran internal pada komponen hidrolik dari seluruh sistem hidrolik - pompa, katup, distributor hidrolik, motor hidrolik.
- Peningkatan keausan unit pompa dan kemacetan pompa karena viskositas fluida kerja yang tidak mencukupi yang diperlukan untuk memberikan pelumasan pada bagian yang bergesekan.
Kompresibilitas
Setiap cairan kompres di bawah tekanan. Berkenaan dengan minyak dan pendingin yang digunakan dalam hidrolika teknik mesin, telah ditetapkan secara empiris bahwa proses kompresi berbanding terbalik dengan massa cairan per volume. Rasio kompresi lebih tinggi untuk oli mineral, jauh lebih rendah untuk air, dan jauh lebih rendah untuk cairan sintetis.
Dalam sistem hidrolik tekanan rendah sederhana, kompresibilitas fluida memiliki efek yang dapat diabaikan pada pengurangan volume awal. Tetapi pada mesin yang kuat dengan hidraulik tinggitekanan dan silinder hidrolik besar, proses ini memanifestasikan dirinya secara nyata. Untuk oli mineral hidrolik pada tekanan 10,0 MPa (100 bar), volumenya berkurang 0,7%. Pada saat yang sama, perubahan volume kompresi sedikit dipengaruhi oleh viskositas kinematik dan jenis oli.
Kesimpulan
Penentuan koefisien viskositas memungkinkan Anda untuk memprediksi pengoperasian peralatan dan mekanisme dalam berbagai kondisi, dengan mempertimbangkan perubahan komposisi cairan atau gas, tekanan, suhu. Selain itu, pengendalian indikator-indikator ini juga relevan di sektor minyak dan gas, utilitas, dan industri lainnya.
