Što je viskoznost?

Viskoznost tekućine je mjera njenog otpora protoku. Opisuje unutarnje trenje tekućine koja se kreće. Viskozne tekućine opiru se kretanju jer njihov molekularni sastav stvara veliko unutarnje trenje. Tekućine niske viskoznosti lako teku jer njihov molekularni sastav stvara malo trenja kada su u pokretu.

Na molekularnoj razini, viskoznost je uzrokovana interakcijama između različitih molekula u tekućini. To se također može smatrati trenjem između molekula. Baš kao i u slučaju trenja između pokretnih čvrstih tijela, viskoznost će odrediti energiju potrebnu za protok tekućine.

Najbolji način da to vizualizirate je kroz primjer. Razmislite o šalici od stiropora s rupom na dnu. Primjećujem da se šalica jako sporo cijedi kada u nju ulijemo med. To je zato što je viskoznost meda relativno visoka u usporedbi s drugim tekućinama. Kada, na primjer, istu šalicu napunimo vodom, voda će se puno brže ocijediti. Za tekućinu niske viskoznosti kaže se da je "rijetka", dok se za tekućinu visokog viskoziteta kaže da je "gusta". Lakše se kretati kroz tekućinu niske viskoznosti (poput vode) nego tekućinu visokog viskoziteta (poput meda).

Čimbenici koji utječu na viskoznost

Na viskoznost utječu mnogi čimbenici. Primjeri uključuju temperaturu, tlak i dodavanje drugih molekula. Tlak ima mali učinak na tekućine i često se zanemaruje. Dodavanje molekula može imati značajan učinak. Šećer, na primjer, čini vodu viskoznijom.

Temperatura, međutim, ima najveći utjecaj na viskoznost. Povećanje temperature u tekućini smanjuje viskoznost jer daje molekulama dovoljno energije da prevladaju međumolekularno privlačenje. Utjecaj temperature na viskoznost je suprotan za plinove. Kako temperatura plina raste, raste i viskoznost. Na viskoznost plina ne utječe značajno međumolekularno privlačenje, već povećanje temperature, što uzrokuje sudar većeg broja molekula.

Dinamička i kinetička viskoznost

Postoje dva načina za prijavu viskoznosti. Apsolutni ili dinamička viskoznost je mjera otpora tekućine protoku dok kinematička viskoznost je omjer dinamičke viskoznosti i gustoće tekućine. Iako je odnos jasan, važno je zapamtiti da dvije tekućine s istim vrijednostima dinamičke viskoznosti mogu imati različite gustoće, a time i različite vrijednosti kinematičke viskoznosti. I, naravno, dinamička viskoznost i kinematička viskoznost imaju različite jedinice.

Jedinice viskoznosti

SI jedinica za viskoznost je njutn-sekunda po kvadratnom metru (N·s/m2). Međutim, često ćete vidjeti viskoznost izraženu u pascal-sekundi (Pa·s), kilogramu po metru u sekundi (kg·m−1·s−1), ravnoteži (P ili g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) ili centipois (cP). To čini viskoznost vode na 20 °C oko 1 cP ili 1 mPa·s.

U američkom i britanskom inženjerstvu, druga uobičajena jedinica je funta-sekunde po četvornoj stopi (lb·s/ft2). Alternativna i ekvivalentna jedinica je funta-sila-sekunde po četvornoj stopi (lbf·s/ft2).

Dinamičke jedinice viskoznosti

Staloženost (simbol: P)

Poise (simbol: P) Nazvana po francuskom liječniku Jean Louisu Marie Poiseuilleu (1799. – 1869.), ovo je CGS jedinica viskoziteta, ekvivalentna dina-sekundi po kvadratnom centimetru. To je viskoznost tekućine u kojoj tangencijalna sila od 1 dina po kvadratnom centimetru održava razliku u brzini od 1 centimetar u sekundi između dvije paralelne ravnine udaljene 1 centimetar. Čak iu odnosu na tekućine visoke viskoznosti, ova jedinica se najčešće susreće kao centipois (cP), što je 0.01 pois. Mnoge svakodnevne tekućine imaju viskozitet između 0.5 i 1000 cP

Pascal-second (simbol: Pa · s)

Ovo je SI jedinica viskoznosti, ekvivalentna newton-second po kvadratnom metru (N · sm – 2). Ponekad se naziva i "poiseuille" (Pl). Jedna vaga je točno 0.1 Pa · s. Jedan puiseuille je 10 puiza ili 1000 cP, dok je 1 cP = 1 mPa · s (jedna millipaskalna sekunda).

Kinematske jedinice viskoznosti

Stokes (simbol: St)

Ovo je jedinica cgs, ekvivalentna kvadratnom centimetru u sekundi. Jedan stokes jednak je viskoznosti u poise podijeljenoj s gustoćom tekućine u g cm–3. Najčešće se susreće kao centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt Seconds Universal

Ovo je vrijeme da 60 ml tekućine protječe kroz kalibrirani otvor Saybolt Universal viskozimetra na temperaturi specificiranoj za kinematički viskozitet, kako je propisano ispitnom metodom ASTM D 88. Za veće viskoznosti koristi se SSF (Saybolt Seconds Furol).

Formula za viskoznost

Osnovni model strujanja između dvije ploče [1]

Omjer vanjske sile (F) na zahvaćeno područje (A) definira se kao posmično naprezanje (σ):

σ = F/A

The smičuće naprezanje (γ) definira se kao relativna promjena duljine materijala zbog vanjske sile:

γ = l/l₀

Omjer između posmičnog naprezanja (σ) i posmična deformacija (γ) definira se kao modul (G):

G = σ/ γ

Ako se gornja ploča na slici 1 kreće određenom brzinom (v), gradijent brzine dv/dx definira se kao brzina smicanja (γ̇). Sir Isaac Newton, koji je formulirao zakone gibanja i univerzalne gravitacije, otkrio je da je u idealnim tekućinama (poznatim kao Newtonove tekućine) posmično naprezanje (σ) izravno je povezan sa brzinom smicanja (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Newtonov i nenjutonov fluid

Newtonove tekućine, kako ih zovu, imaju konstantan viskozitet. Kako povećavate snagu, otpor se povećava, ali to je proporcionalno povećanje. Bez obzira kolika je sila primijenjena na Newtonovu tekućinu, ona nastavlja djelovati kao tekućina. A Njutonska tekućina je tekućina koja se pokorava Newtonovom zakonu trenja, gdje je viskoznost neovisna o brzini deformacije.

Viskoznost ostaje konstantna bez obzira na promjene brzine smicanja ili miješanja. Kako se brzina pumpe povećava, protok se proporcionalno povećava. Tekućine koje pokazuju Newtonovsko ponašanje uključuju vodu, mineralna ulja, sirup, ugljikovodike i smole.

Nenjutnovske tekućine

A nenjutonovska tekućina je onaj koji ne poštuje Newtonov zakon trenja. Većina fluidnih sustava nije Newtonov (poznat kao ne-njutnovske tekućine) i njihova viskoznost nije konstantna, već se mijenja u funkciji povećanja ili smanjenja primijenjene brzine smicanja.

Mnoge tekućine pokazuju smanjenje viskoznosti kao funkciju povećanja brzine smicanja. Te se tekućine nazivaju pseudoplastične tekućine. “Struktura” tekućine u tim sustavima je razbijena zbog vanjske sile, što rezultira a smicanje stanjivanje ponašanje. Ako je početna međučestična (ili molekularna) povezanost jaka, sustav se može ponašati kao kruto tijelo koje miruje. Početno posmično naprezanje koje je potrebno za prevladavanje unutarnjih sila i narušavanje strukture definira se kao vrijednost prinosa sustava. Materijali koji pokazuju vrijednost popuštanja, a zatim pokazuju stanjivanje smicanja s povećanjem brzine smicanja definirani su kao plastične tekućine. Neke tekućine pokazuju povećanje viskoznosti s povećanjem brzine smicanja, fenomen poznat kao smicanje zadebljanja. Ovi materijali su definirani kao dilatantne tekućine.

Napon posmika kao funkcija brzine smicanja [1]

Viskoznost kao funkcija brzine smicanja [1]

Ponašanje protoka tijekom vremena: tiksotropija

Složena tekućina se s vremenom preuređuje kada se ukloni vanjska sila. Stoga se viskoznost ne treba mjeriti samo povećanjem brzine smicanja kako se struktura razbija, već i smanjenjem brzine smicanja kako se sustav ponovno uspostavlja. To se zove histereza.

U brzom oporavku, dijagram viskoznosti naspram opadajuće brzine smicanja bio bi superponiran na grafikon viskoznosti u odnosu na povećanje brzine smicanja. Ako je tekućini potrebno vrijeme da obnovi svoju strukturu, "krivulja prema dolje" bi bila ispod "krivulje prema gore". Tiksotropija definira se kao iskazivanje posmičnog stanjivanja s povećanom brzinom smicanja i sporijeg oporavka sa smanjenjem brzine smicanja. U netiksotropna materijala, krivulje "gore" i "dolje" se preklapaju i unutra reopektički materijala, krivulja "dolje" je iznad krivulje "gore".

No, dok se tiksotropne tekućine povremeno zamjenjuju s pseudoplastičnim tekućinama, a reopektičke tekućine povremeno se miješaju s dilatantnim tekućinama, ove dvije vrste tekućina razlikuju se na jedan ključan način: ovisnost o vremenu. Promjena viskoznosti s obzirom na naprezanje za dilatantne i pseduoplastične tekućine ne ovisi o vremenu. Ali za tiksotropne tekućine, viskoznost se smanjuje s povećanim naprezanjem što se napon duže primjenjuje. Isto vrijedi i za reopektičke tekućine, viskoznost se povećava s povećanim naprezanjem što se navedeni napon duže primjenjuje.

U svakodnevnom životu koristimo mnogo proizvoda koji pokazuju tiksotropno ponašanje. Tiksotropnost je svojstvo koje objašnjava zašto proizvodi za osobnu njegu poput gelova za kosu i paste za zube prelaze iz tekućeg u kruto kada se stisnu, ali se nakon toga vraćaju u čvrsto stanje kako bi zadržali svoj oblik. Reološka svojstva strukturne razgradnje i regeneracije u odnosu na vrijeme određuju kvalitetu proizvoda.

Viskoznost kao funkcija brzine smicanja – tiksotropno i netiksotropno ponašanje (strelice pokazuju povećanje ili smanjenje brzine smicanja) [1]

Viskoznost u odnosu na naprezanje tijekom vremena (Tiksotropno protiv reopektičkog ponašanja) [2]

Važnost viskoznosti u svakodnevnom životu

U mnogim različitim poljima, viskoznost zapravo može biti vrlo korisna, iako se čini da je od manje važnosti u svakodnevnom životu. Na primjer:

• Podmazivanje u vozilima.Kada stavljate ulje u svoj automobil ili kamion, trebate uzeti u obzir njegovu viskoznost. To je zato što viskoznost utječe na trenje, što utječe na toplinu. Nadalje, viskoznost utječe i na brzinu potrošnje ulja i na lakoću s kojom vaše vozilo pali u toplim i hladnim uvjetima. Viskoznost nekih ulja ostaje ista dok se zagrijavaju i hlade, dok druga postaju tanja kako se zagrijavaju, što uzrokuje probleme dok upravljate automobilom tijekom vrućeg ljetnog dana.
• U pripremi i posluživanju hrane, viskoznost igra značajnu ulogu. Mnoga ulja za kuhanje hlađenjem postaju mnogo viskoznija, dok druga možda uopće neće promijeniti viskoznost. Kako je mast viskozna kada se zagrijava, postaje čvrsta kada se ohladi. Viskoznost umaka, juha i variva također je važna u različitim kuhinjama. Kada se razrijedi, gusta juha od krumpira i poriluka postaje francuski vichyssoise. Med je, na primjer, prilično viskozan i može promijeniti "osjećaj u ustima" određene hrane.
• Oprema u proizvodnji mora biti pravilno podmazana kako bi radila nesmetano. Cjevovodi mogu biti začepljeni i začepljeni viskoznim mazivima. Tanka maziva pružaju nedovoljnu zaštitu za pokretne dijelove.
• Kada se tekućine ubrizgavaju intravenozno, viskoznost može biti ključna. Velika zabrinutost uključuje viskoznost krvi: krv koja je previše viskozna može stvoriti unutarnje ugruške, dok se prerijetka krv neće zgrušavati, uzrokujući opasan gubitak krvi, pa čak i smrt.

Neki tipični viskoznosti