ویسکوزیته ، ویسکومتر و انواع ویسکومتر

خلاصه مقاله
چگونگی تعریف ویسکوزیته ، انواع مختلف ویسکوزیته و انواع مایعات که رفتار جریان نیوتنی یا غیر نیوتنی را نشان می دهند ، تمرکز دارد. ویسکوزیته یک پارامتر فیزیکی است که در کل صنعت اندازه گیری می شود تا بینش مواد و رفتار آنها را بدست آورد.


مقدار فیزیکی "ویسکوزیته" اطلاعاتی در مورد چگالی یک سیال و چقدر راحت جریان می دهد. از نظر علمی ، ویسکوزیته اندازه گیری مقاومت جریان داخلی یک سیال است. این مقاومت است که یک سیال هنگام تغییر شکل نشان می دهد. این صفحه در مورد چگونگی تعریف ویسکوزیته ، انواع مختلف ویسکوزیته و انواع مایعات که رفتار جریان نیوتنی یا غیر نیوتنی را نشان می دهند ، تمرکز دارد. ویسکوزیته یک پارامتر فیزیکی است که در کل صنعت اندازه گیری می شود تا بینش مواد و رفتار آنها را بدست آورد.

چگونه ویسکوزیته را تعریف کنیم
به منظور تعیین ویسکوزیته سیال ، باید وارد میدان ویسکومتری شوید ، موضوعی از یک علم گسترده تر به نام رئولوژی. رئولوژی با رفتار جریان و تغییر شکل مواد سروکار دارد.

تصور کنید که همه مواد طبق مقیاس مجازی از جامد تا مایع طبقه بندی می شوند. دانشمندان مواد جامد را الاستیک و مایعات را چسبناک عنوان می کنند. در زندگی روزمره ، بیشتر با مواد ویسکوالاستیک روبرو می شویم. یعنی موادی که کاملاً الاستیک نیستند و کاملاً چسبناک نیستند. با توجه به خاصیت مواد ، ما آن را یا به عنوان جامد ویسکوالاستیک طبقه بندی می کنیم (مانند ژله شیرین) یا به عنوان یک مایع ویسکوالاستیک (مانند نوشیدنی ماست یا ژل دوش).

زمینه خاص ویسکومتری مایعات چسبناک را در بر می گیرد و - با توجه به محدودیت های خاص - همچنین مایعات ویسکوالاستیک ، یعنی مایعات چسبناک که حاوی بخشی الاستیک هستند. مایعات که به راحتی جریان می یابند مقاومت کمی در برابر تغییر شکل نشان می دهند. آنها مایمایعات نیوتونی چیست؟ عات کم ویسکوزیته هستند. مایعات با گرانروی بالا در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند. در نتیجه ، آنها به راحتی جریان نمی یابند.

مدل دو صفحه
مدل دو صفحه توضیحی ریاضی برای ویسکوزیته را ارائه می دهد. به نوعی ساندویچ فکر کنید : دو صفحه با مایع درون یکدیگر قرار گرفته است. محاسبه صحیح پارامترهای مربوط به ویسکوزیته به دو معیار بستگی دارد:

1.مایع در امتداد صفحات سر نمی خورد ، اما با آنها در تماس خوبی است. از نظر علمی ، یک نیروی چسبنده بین مایع و صفحه کار می کند.

2.جریان چند لایه است. این لایه ها را بینهایت باریک تشکیل می دهد و هیچ تلاطمی (یعنی گرداب) ایجاد نمی شود. می توانید جریان ورقه ورقه ای را به عنوان انبوهی از ورق های کاغذی (یا تشک های آبجو) تصویر کنید.

صفحه پایین حرکت نمی کند. صفحه فوقانی بسیار آهسته از کنار می رود و مایع را تحت فشار قرار می دهد ، که موازی با سطح آن است: تنش برشی (تاو). نیروی اعمال شده در صفحه فوقانی (در نیوتن) که تقسیم بر منطقه این صفحه (در متر مربع) استرس برشی را مشخص می کند. نیرو / ناحیه در واحد N / m results نتیجه می گیرد ، که پس از Blaise Pascal نامگذاری شده است.

مایعات نیوتونی چیست؟
اگر مقاومت در برابر جریان داخلی یک سیال مستقل از نیروی خارجی - یعنی میزان برشی - بر روی سیال باشد ، از نظر ایده آل چسبناک است. این مایعات پس از سر Isaac Newton به عنوان "مایعات نیوتنی" نامگذاری شده اند.
مایعات معمولی نیوتنی آب یا روغن سالاد هستند.
اگر ویسکوزیته آن با میزان برشی تغییر کند ، یک مایع غیر نیوتونی و برای تعریف دقیق فرد باید ویسکوزیته ظاهری را مشخص کند.

مایعات وابسته به برش متفاوت رفتار می کنند: برای برخی ، ویسکوزیته آنها با افزایش سرعت برشی کاهش می یابد (منحنی 2 | به عنوان مثال ماست) ، در حالی که برای دیگران ویسکوزیته با افزایش سرعت برشی افزایش می یابد (منحنی 3 | به عنوان مثال راه حل های نشاسته). رفتار جریان مایعات غیر نیوتونی می تواند بسیار پیچیده تر از این مثال های اساسی باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر با "راهنمای رئولوژی" مشورت کنید.

با این وجود ، نرخ برشی تنها تأثیرگذار نیست. سه عامل رفتار جریان یک ماده را تعیین می کنند.

چه تأثیری بر رفتار جریان دارد؟
ساختار داخلی - مولکولی ماده. یک ماده بسیار چسبناک دارای مولکولهای محکم است. در برابر تغییر شکل مقاومت می کند.

میزان برشی یا تنش برشی به ترتیب به عنوان نیروی خارجی است. این شامل انواع اعمال می شود: پاک کردن ، فشار دادن یا کشیدن ماده یا معمولاً گرانش. تأثیر بیشتر به قدرت و مدت زمان نیروی خارجی بستگی دارد.

شرایط محیط: دما و فشار. این پارامترها تعیین می کنند که در چه شرایطی یک ماده جریان می یابد و کدام نوع جریان را ایجاد می کند. برای اندازه گیری ویسکوزیته ، جریان چند لایه لازم است.

جریان چند لایه یا آشفتگی
جریان لمینار بدین معنی است که ماده در لایه های نازک خیالی حرکت می کند. مولکول ها از یک لایه به لایه دیگر حرکت نمی کنند ، حرکت آنها یک الگوی منظم را تشکیل می دهد.

جریان تلاطم ساختار یافته نیست زیرا مولکول ها به طور تصادفی حرکت می کنند. این منجر به گردابها و گردابها می شود و در طی اندازه گیری نتایج نادرست ایجاد می کند. ویسکوزیته بالاتر از حد متوسط است ، زیرا دستگاه آزمایش به طور غلط رفتار تصادفی مولکول ها را به عنوان مقاومت جریان بالاتر ثبت می کند.

به عنوان مثال ، ارسال مایعات به میزان برشی بیش از حد بالا در طول آزمایش می تواند منجر به جریان آشفتگی شود. این ممکن است اتفاق بیفتد اگر یک ویسومتر سنج مویرگی شیشه ای برای ماده آزمایش شده بسیار گسترده باشد (یعنی زمان اجرا خیلی کوتاه شود) یا اگر دوک یک ویسکومتر چرخشی خیلی سریع بپیچد.

درجه حرارت
به غیر از سرعت برشی ، درجه حرارت به شدت از ویسکوزیته سیال تأثیر می گذارد. ویسکوزیته یک ماده با افزایش دما کاهش می یابد و بالعکس. این رابطه معکوس متناسب برای کلیه مواد اعمال می شود.

هرگونه تغییر دما همواره ویسکوزیته را تحت تأثیر قرار می دهد ، اما برای مایعات مختلف اندازه این نفوذ متفاوت است. برخی از مایعات با افزایش 10٪ در ویسکوزیته در صورت کاهش درجه حرارت 1 درجه سانتیگراد واکنش نشان می دهند.

ویسکوزیته سیال به شدت بستگی دارد. حتی کاهش درجه حرارت 1 K (1 درجه سانتیگراد) می تواند ویسکوزیته را 10٪ افزایش دهد.

فشار
به طور معمول ، افزایش فشار باعث افزایش ویسکوزیته سیال نیز می شود [5]. با این وجود ، اگر فشار اعمال شده کم یا متوسط باشد مایعات به طور چشمگیری تحت تأثیر قرار نمی گیرند: مایعات در این محدوده فشار تقریباً غیر قابل فشرده سازی هستند.

بیشتر مایعات نسبت به فشار قابل ملاحظه ای تغییر می کنند (از 0.1 مگاپاسکال به 30 مگاپاسکال) با تغییر ویسکوزیته در حدود 10٪. برای مقایسه: همین تغییر ویسکوزیته معمولاً با تغییر جزئی درجه حرارت 1 K (1 درجه سانتیگراد) تحریک می شود.

در صورت افزایش فشار از 0.1 مگاپاسکال به 200 مگاپاسکال ، ویسکوزیته می تواند به 3 تا 7 برابر مقدار اصلی افزایش یابد. این در مورد بیشتر مایعات کم مولکولی صدق می کند. روغنهای معدنی بسیار چسبناک با افزایش ویسکوزیته برابر 20000 تحت شرایط یکسان واکنش نشان می دهند.

برای روغن مصنوعی این تغییر فشار حتی می تواند منجر به افزایش ویسکوزیته با ضریب 8 میلیون شود. به عنوان مثال ، روان کننده های چرخدار یا چرخ دنده ها می توانند به فشارهای 1 گیگا بایت و بالاتر ارسال شوند.

در بیشتر مایعات ، فشار باعث کاهش حجم آزاد در ساختار داخلی می شود و در نتیجه حرکت مولکول ها را محدود می کند. در نتیجه ، اصطکاک داخلی و ویسکوزیته افزایش می یابد.

آب تحت فشار چگونه رفتار می کند؟
دانش معمول است که آب حداکثر چگالی خود را در دمای 4 درجه سانتی گراد دارد. ناهنجاری دیگر بر رفتار جریان آب تحت فشار تأثیر می گذارد. برای دما> +32 درجه سانتیگراد ، ویسکوزیته آب با افزایش فشار نیز افزایش می یابد. اگر آب زیر +32 درجه سانتیگراد باشد و فشار حداکثر 20 مگاپاسکال اعمال شود ، با افزایش فشار ویسکوزیته کاهش می یابد. فشار ساختار شبکه سه بعدی پل های هیدروژن را از بین می برد.

انواع ویسکوزیته
ویسکوزیته پویا
نماد یونانی η (eta) نمایانگر ویسکوزیته پویا است. برای به دست آوردن ویسکوزیته پویا (گاهی اوقات به عنوان ویسکوزیته برشی نیز شناخته می شود) باید قانون نیوتن را اصلاح کند

ویسکوزیته کنیماتیک
گرانروی سینماتیک ν (ny) نشان دهنده تأثیر نیروی گرانشی بر جریان یک ماده است. ویسکوزیته دینامیکی تقسیم بر چگالی ρ (ریو) ، ویسکوزیته سینماتیک را می دهد. از آنجا که چگالی به عنوان جرم در هر حجم تعریف می شود ، وزن از طریق جرم کمیت وارد معادله می شود.

ویسکوزیته نسبی
ویسکوزیته نسبی یک پارامتر مهم هنگام اندازه گیری پلیمرهای محلول است.

کیفیت یک پلیمر به شدت با جرم مولی آن مرتبط است. اکثر پلیمرها ارتباط تنگاتنگی بین جرم مولی و ویسکوزیته نشان می دهند. بنابراین ، برای تعیین توده مولی ، می توان ویسکوزیته را به جای آن اندازه گیری کرد. به عنوان یک قاعده ، ویسکوزیته محلول های پلیمری با افزایش جرم مولی افزایش می یابد. در حقیقت ، بیشتر محلول های پلیمری وابسته به برش هستند (یعنی غیر نیوتونی).

انواع ویسکوزیته
با این حال ، در طیف وسیعی از میزان برش به اندازه کافی پایین ، رفتار آنها نیوتنی است. تقسیم ویسکوزیته محلول پلیمر (η) توسط ویسکوزیته حلال خالص (ηο) ویسکوزیته نسبی را با واحد بدون بعد می دهد.

ویسکوزیته نسبی ηr پایه ای برای محاسبه پارامترهای دیگر است که در کنترل کیفیت پلیمر مرتبط هستند. 

ویسکوزیته ظاهری
مایعات چسبناک یا نیوتنی دارای چسبندگی ثابت برای تمام مقادیر برشی هستند. از طرف دیگر برای مایعات وابسته به برش ، ویسکوزیته متفاوت است. بنابراین ، باید مشخص کنید که در چه درجه برشی مقدار ویسکوزیته مشخص شد. این "ویسکوزیته ظاهری" یا "ویسکوزیته ظاهری برشی" است. هر مقدار ظاهری یک نقطه از عملکرد ویسکوزیته است (خصوصاً میزان برشی).

1399/02/07