Mi a viszkozitás?

A folyadék viszkozitása az áramlással szembeni ellenállásának mértéke. Egy mozgó folyadék belső súrlódását írja le. A viszkózus folyadékok ellenállnak a mozgásnak, mert molekuláris felépítésük nagy belső súrlódást okoz. Az alacsony viszkozitású folyadékok könnyen áramlanak, mert molekuláris felépítésük csekély súrlódást okoz mozgás közben.

Molekuláris szinten a viszkozitást a folyadékban lévő különböző molekulák közötti kölcsönhatások okozzák. Ez a molekulák közötti súrlódásnak is tekinthető. Csakúgy, mint a mozgó szilárd anyagok közötti súrlódás esetén, a viszkozitás határozza meg a folyadékáramláshoz szükséges energiát.

Ezt a legjobban egy példán keresztül lehet megjeleníteni. Vegyünk egy hungarocell csészét, amelynek alján lyuk van. Azt veszem észre, hogy a csésze nagyon lassan ürül ki, amikor mézet öntünk bele. Ennek az az oka, hogy a méz viszkozitása viszonylag magas más folyadékokhoz képest. Ha például ugyanazt a csészét vízzel töltjük meg, a víz sokkal gyorsabban fog lefolyni. Az alacsony viszkozitású folyadékot „vékonynak”, míg a nagy viszkozitású folyadékot „vastagnak” mondják. Könnyebb áthaladni egy alacsony viszkozitású folyadékon (például vízen), mint egy nagy viszkozitású folyadékon (például méz).

A viszkozitást befolyásoló tényezők

A viszkozitást számos tényező befolyásolja. Ilyen például a hőmérséklet, a nyomás és más molekulák hozzáadása. A nyomás kismértékben befolyásolja a folyadékokat, és gyakran figyelmen kívül hagyják. A molekulák hozzáadásának jelentős hatása lehet. A cukor például viszkózusabbá teszi a vizet.

A hőmérséklet azonban a legnagyobb hatással a viszkozitásra. A folyadék hőmérsékletének emelkedése csökkenti a viszkozitást, mivel elegendő energiát ad a molekuláknak ahhoz, hogy leküzdjék az intermolekuláris vonzást. A hőmérséklet viszkozitásra gyakorolt ​​hatása a gázok esetében ellentétes. A gáz hőmérsékletének növekedésével a viszkozitás növekszik. A gáz viszkozitását nem az intermolekuláris vonzás befolyásolja jelentősen, hanem a hőmérséklet növekedése, ami miatt több molekula ütközik.

Dinamikus és kinetikus viszkozitás

A viszkozitás jelentésének két módja van. Abszolút ill dinamikus viszkozitás a folyadék áramlási ellenállásának mértéke kinematikai viszkozitás a dinamikus viszkozitás és a folyadék sűrűségének aránya. Noha az összefüggés egyértelmű, fontos megjegyezni, hogy két azonos dinamikus viszkozitási értékkel rendelkező folyadéknak különböző sűrűsége lehet, és így eltérő kinematikai viszkozitási értékek is lehetnek. És természetesen a dinamikus viszkozitásnak és a kinematikai viszkozitásnak különböző mértékegységei vannak.

Viszkozitási egységek

A viszkozitás SI mértékegysége newtonmásodperc per négyzetméter (N·s/m2). Azonban gyakran láthatja a viszkozitást pascal-másodpercben (Pa·s), kilogramm per méter per másodpercben (kg·m−1·s−1), poise-ban (P vagy g·cm−1·s−) kifejezve. 1 = 0.1 Pa·s) vagy centipoise (cP). Így a víz viszkozitása 20 °C-on körülbelül 1 cP vagy 1 mPa·s.

Az amerikai és brit gépészetben egy másik gyakori mértékegység a font-másodperc per négyzetláb (lb·s/ft2). Egy alternatív és ezzel egyenértékű mértékegység a font erőmásodperc per négyzetláb (lbf·s/ft2).

Dinamikus viszkozitási egységek

Poise (szimbólum: P)

Poise (szimbólum: P) Jean Louis Marie Poiseuille (1799–1869) francia orvosról nevezték el, ez a viszkozitás CGS mértékegysége, amely din-másodperc per négyzetcentiméter. Ez annak a folyadéknak a viszkozitása, amelyben 1 din per négyzetcentiméter érintőleges erő 1 cm/s sebességkülönbséget tart fenn két, egymástól 1 cm távolságra lévő párhuzamos sík között. Még a nagy viszkozitású folyadékok esetében is ez az egység leggyakrabban centipoise-ként (cP) fordul elő, ami 0.01 poise. Sok mindennapi folyadék viszkozitása 0.5 és 1000 cP között van

Pascal-másodperc (szimbólum: Pa·s)

Ez a viszkozitás SI mértékegysége, amely newton-másodperc per négyzetméternek felel meg (N·sm–2). Néha „poiseuille”-nak (Pl) is nevezik. Egy poise pontosan 0.1 Pa·s. Egy poiseuille 10 poise vagy 1000 cP, míg 1 cP = 1 mPa·s (egy millipascal-másodperc).

Kinematikai viszkozitás mértékegységei

Stokes (szimbólum: St)

Ez a cgs egység, amely másodpercenkénti négyzetcentiméternek felel meg. Egy stoke egyenlő a puze-ban kifejezett viszkozitás osztva a folyadék g cm–3-ban kifejezett sűrűségével. Leggyakrabban centistokes (cSt) néven találkozunk vele (= 0.01 stokes).

Saybolt Seconds Universal

Ez az az idő, amíg 60 ml folyadék átfolyik egy Saybolt Universal viszkoziméter kalibrált nyílásán a kinematikus viszkozitásra meghatározott hőmérsékleten, az ASTM D 88 vizsgálati módszer szerint. Nagyobb viszkozitás esetén SSF-t (Saybolt Seconds Furol) használnak.

A viszkozitás képlete

A két lemez közötti áramlás alapmodellje [1]

A külső erő aránya (F) az érintett területre (A) úgy van meghatározva, mint a nyírófeszültség (σ):

σ = F/A

A nyíró igénybevétel (γ) az anyag hosszának a külső erő hatására bekövetkező relatív változásaként definiálható:

γ = l/l₀

A nyírófeszültség aránya (σ) és a nyírófeszültség (γ) úgy van meghatározva, mint a modulus (G):

G = σ/ γ

Ha az 1. ábrán látható felső lemez egy bizonyos sebességgel mozog (v), a sebességgradiens dv/dx definíciója az nyírósebesség (γ̇). Sir Isaac Newton, aki megfogalmazta a mozgás és az univerzális gravitáció törvényeit, felfedezte, hogy ideális folyadékokban (az úgynevezett newtoni folyadékokban) a nyírófeszültség (σ) közvetlenül kapcsolódik a nyírási sebességhez (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Newtoni és nem-newtoni folyadékok

A newtoni folyadékok, ahogy nevezik őket, állandó viszkozitásúak. Az erő növelésével az ellenállás növekszik, de ez arányos növekedés. Nem számít, mekkora erőt fejtenek ki egy newtoni folyadékra, az továbbra is úgy működik, mint egy folyadék. A Newtoni folyadék egy olyan folyadék, amely megfelel a Newton-féle súrlódási törvénynek, ahol a viszkozitás független az alakváltozási sebességtől.

A viszkozitás állandó marad, függetlenül a nyírási sebesség vagy a keverés változásától. A szivattyú fordulatszámának növekedésével az áramlás arányosan növekszik. A newtoni viselkedést mutató folyadékok közé tartozik a víz, az ásványi olajok, a szirup, a szénhidrogének és a gyanták.

Nem newtoni folyadékok

A nem newtoni folyadék olyan, amely nem engedelmeskedik Newton súrlódási törvényének. A legtöbb folyadékrendszer nem newtoni (más néven nem newtoni folyadékok) és viszkozitásuk nem állandó, hanem az alkalmazott nyírási sebesség növelésének vagy csökkentésének függvényében változik.

Sok folyadék viszkozitása csökken a növekvő nyírási sebesség függvényében. Ezeket a folyadékokat ún pszeudoplasztikus folyadékok. A folyadék „szerkezete” ezekben a rendszerekben a külső erő hatására felbomlik, ami a nyírási elvékonyodás viselkedés. Ha a kezdeti részecskék közötti (vagy molekuláris) asszociáció erős, a rendszer szilárd anyagként viselkedhet nyugalmi állapotban. A kezdeti nyírófeszültséget, amely a belső erők leküzdéséhez és a szerkezet felbomlásához szükséges, a hozamérték a rendszerről. Azokat az anyagokat, amelyek hozamértéket mutatnak, majd nyírási elvékonyodást mutatnak növekvő nyírási sebességgel, a következőképpen határozzuk meg műanyag folyadékok. Egyes folyadékok viszkozitása megnövekszik a nyírási sebesség növekedésével, ezt a jelenséget ún nyírási vastagodás. Ezeket az anyagokat úgy határozzuk meg dilatáns folyadékok.

Nyírófeszültség a nyírási sebesség függvényében [1]

Viszkozitás a nyírási sebesség függvényében [1]

Áramlási viselkedés idővel: Tixotrópia

Egy komplex folyadék idővel átrendeződik, amikor a külső erőt eltávolítják. Így a viszkozitást nemcsak a nyírási sebesség növelésével kell mérni, amikor a szerkezet felbomlik, hanem a nyírási sebesség csökkentésével is, amikor a rendszer helyreáll. Ezt hiszterézisnek hívják.

Gyors helyreállítás esetén a viszkozitás és a csökkenő nyírósebesség görbéje a viszkozitás és a növekvő nyírási sebesség közötti diagramra rákerül. Ha a folyadéknak időbe telik, hogy helyreállítsa szerkezetét, a „lefelé mutató görbe” a „felfelé görbe” alatt lesz. Tixotrópia definíció szerint nyírási elvékonyodást mutat megnövekedett nyírási sebességgel és lassabb helyreállítást, csökkenő nyírási sebességgel. Ban ben nem tixotróp anyagok, a „fel” és „le” görbék átfedik egymást és befelé reopektikus anyagok, a „le” görbe a „fel” görbe felett van.

De míg a tixotróp folyadékokat időnként összetévesztik pszeudoplasztikus folyadékokkal, és a reopektikus folyadékokat időnként összetévesztik dilatáns folyadékokkal, ez a kétféle folyadék egy lényeges dologban különbözik: az időfüggőségben. A viszkozitás változása a feszültség függvényében dilatáns és pszeduoplasztikus folyadékok esetén az időtől független. A tixotróp folyadékok esetében azonban a viszkozitás csökken a feszültség növekedésével, minél hosszabb ideig alkalmazzák a feszültséget. Ugyanez vonatkozik a reopektikus folyadékokra is, a viszkozitás a feszültség növekedésével növekszik, minél hosszabb ideig alkalmazzák az említett feszültséget.

A mindennapi életben sok olyan terméket használunk, amelyek tixotróp viselkedést mutatnak. A tixotrópia az a tulajdonság, amely megmagyarázza, hogy az olyan testápoló termékek, mint a hajzselék és a fogkrémek, miért válnak folyékonyból szilárd állapotba, ha összenyomják, de utána visszatérnek szilárd állapotukba, hogy megtartsák formájukat. A szerkezeti bomlás és regeneráció idővel összefüggő reológiai tulajdonságai meghatározzák a termék minőségét.

Viszkozitás a nyírási sebesség függvényében – tixotróp és nem tixotróp viselkedés (a nyilak növekvő vagy csökkenő nyírási sebességet mutatnak) [1]

Viszkozitás az idő függvényében (tixotróp vs reopektikus viselkedés) [2]

A viszkozitás jelentősége a mindennapi életben

Sok különböző területen a viszkozitás valójában nagyon hasznos lehet, bár úgy tűnik, hogy a mindennapi életben csekély jelentőségű. Például:

• Kenés járművekben.Amikor olajat tölt autójába vagy teherautójába, vegye figyelembe annak viszkozitását. Ez azért van, mert a viszkozitás befolyásolja a súrlódást, ami befolyásolja a hőt. Ezen túlmenően a viszkozitás befolyásolja az olajfogyasztás mértékét és azt, hogy járműve milyen könnyen indulhat meleg és hideg körülmények között. Egyes olajok viszkozitása meleg és hideg közben ugyanaz marad, míg mások hígulnak melegítés közben, ami problémákat okoz az autó üzemeltetése során egy forró nyári napon.
• Az ételek elkészítésében és felszolgálásában a viszkozitás jelentős szerepet játszik. Sok étolaj sokkal viszkózusabbá válik a hűtés hatására, míg mások viszkozitása egyáltalán nem változik. Mivel a zsír hevítéskor viszkózus, lehűtve megszilárdul. A szószok, levesek és pörköltek viszkozitása is fontos a különböző konyhákban. Hígítva a sűrű burgonya-póréhagyma leves francia vichyssoise lesz. A méz például meglehetősen viszkózus, és megváltoztathatja bizonyos ételek „szájérzetét”.
• A gyártás során használt berendezéseket megfelelően kenni kell a zavartalan működéshez. A viszkózus kenőanyagok beszoríthatják és eltömíthetik a csővezetékeket. A vékony kenőanyagok nem nyújtanak megfelelő védelmet a mozgó alkatrészek számára.
• A folyadékok intravénás befecskendezése esetén a viszkozitás kulcsfontosságú lehet. A fő probléma a vér viszkozitása: a túl viszkózus vér belső vérrögöket képezhet, míg a túl híg vér nem alvad meg, veszélyes vérveszteséget és akár halált is okozva.

Néhány tipikus viszkozitás