Co je viskozita?

Viskozita kapaliny je mírou jejího odporu vůči proudění. Popisuje vnitřní tření pohybující se tekutiny. Viskózní tekutiny odolávají pohybu, protože jejich molekulární složení vytváří velké vnitřní tření. Kapaliny s nízkou viskozitou snadno proudí, protože jejich molekulární složení vytváří malé tření, když jsou v pohybu.

Na molekulární úrovni je viskozita způsobena interakcemi mezi různými molekulami v tekutině. To lze také považovat za tření mezi molekulami. Stejně jako v případě tření mezi pohybujícími se pevnými látkami bude viskozita určovat energii potřebnou k proudění tekutiny.

Nejlepší způsob, jak si to představit, je na příkladu. Vezměme si šálek vyrobený z polystyrenu s otvorem na dně. Všímám si, že kelímek vytéká velmi pomalu, když do něj naléváme med. Je to proto, že viskozita medu je relativně vysoká ve srovnání s jinými kapalinami. Když naplníme stejný hrnek například vodou, voda odteče mnohem rychleji. O kapalině s nízkou viskozitou se říká, že je „tenká“, zatímco o kapalině s vysokou viskozitou se říká, že je „hustá“. Je snazší procházet kapalinou s nízkou viskozitou (jako je voda) než kapalinou s vysokou viskozitou (jako je med).

Faktory ovlivňující viskozitu

Viskozita je ovlivněna mnoha faktory. Příklady zahrnují teplotu, tlak a přidání dalších molekul. Tlak má malý vliv na kapaliny a je často ignorován. Přidání molekul může mít významný účinek. Cukr například činí vodu viskóznější.

Na viskozitu má však největší vliv teplota. Zvýšení teploty v kapalině snižuje viskozitu, protože dává molekulám dostatek energie k překonání mezimolekulární přitažlivosti. Vliv teploty na viskozitu je u plynů opačný. S rostoucí teplotou plynu se zvyšuje viskozita. Viskozita plynu není výrazně ovlivněna mezimolekulární přitažlivostí, ale zvyšující se teplotou, která způsobí srážku více molekul.

Dynamická a kinetická viskozita

Viskozitu lze hlásit dvěma způsoby. Absolutní popř dynamická viskozita je mírou odporu tekutiny vůči proudění kinematická viskozita je poměr dynamické viskozity k hustotě tekutiny. I když je vztah přímočarý, je důležité si pamatovat, že dvě tekutiny se stejnými hodnotami dynamické viskozity mohou mít různé hustoty, a tedy i různé hodnoty kinematické viskozity. A samozřejmě dynamická viskozita a kinematická viskozita mají různé jednotky.

Jednotky viskozity

Jednotkou SI pro viskozitu je newtonsekunda na metr čtvereční (N·s/m2). Často však uvidíte viskozitu vyjádřenou v pascal-sekundách (Pa·s), kilogramech na metr za sekundu (kg·m−1·s−1), poise (P nebo g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) nebo centipoise (cP). To činí viskozitu vody při 20 °C asi 1 cP nebo 1 mPa·s.

V americkém a britském strojírenství je další běžnou jednotkou libra-sekundy na čtvereční stopu (lb·s/ft2). Alternativní a ekvivalentní jednotkou je libra-síla-sekundy na čtvereční stopu (lbf·s/ft2).

Jednotky dynamické viskozity

Poise (symbol: P)

Poise (symbol: P) Pojmenován po francouzském lékaři Jean Louis Marie Poiseuille (1799–1869), jedná se o jednotku viskozity CGS, ekvivalentní dyne-sekundě na centimetr čtvereční. Je to viskozita tekutiny, ve které tangenciální síla 1 dyn na centimetr čtvereční udržuje rozdíl v rychlosti 1 centimetr za sekundu mezi dvěma rovnoběžnými rovinami vzdálenými od sebe 1 centimetr. I ve vztahu k vysoce viskózním kapalinám se s touto jednotkou nejčastěji setkáváme jako centipoise (cP), což je 0.01 poise. Mnoho každodenních tekutin má viskozitu mezi 0.5 a 1000 cP

Pascal-sekunda (symbol: Pa · s)

Toto je jednotka viskozity SI, ekvivalentní newtons na metr čtvereční (N · sm – 2). Někdy se mu také říká „poiseuille“ (Pl). Jeden poise je přesně 0.1 Pa · s. Jeden poiseuille je 10 poise nebo 1000 cP, zatímco 1 cP = 1 mPa · s (jedna millipascal-sekunda).

Kinematické jednotky viskozity

Stokes (symbol: St)

Toto je jednotka cgs, ekvivalent čtverečního centimetru za sekundu. Jeden stokes se rovná viskozitě v poise dělené hustotou kapaliny v g cm–3. Nejčastěji se s ním setkáváme jako centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt Seconds Universal

Toto je doba, po kterou kalibrovaným otvorem viskozimetru Saybolt Universal proteče 60 ml kapaliny při teplotě specifikované pro kinematickou viskozitu, jak je předepsáno zkušební metodou ASTM D 88. Pro vyšší viskozity se používá SSF (Saybolt Seconds Furol).

Vzorec pro viskozitu

Základní model proudění mezi dvěma deskami [1]

Poměr vnější síly (F) do postižené oblasti (A) je definován jako střihový stres (σ):

σ = F/A

Jedno střihové napětí (γ) je definována jako relativní změna délky materiálu v důsledku vnější síly:

γ = l/l₀

Poměr mezi smykovým napětím (σ) a smykové přetvoření (γ) je definován jako modul (G):

G = σ/ γ

Pokud se horní deska na obrázku 1 pohybuje určitou rychlostí (v), gradient rychlosti dv/dx je definován jako smyková rychlost (γ̇). Sir Isaac Newton, který formuloval zákony pohybu a univerzální gravitace, objevil, že v ideálních tekutinách (známých jako newtonské tekutiny) se smykové napětí (σ) přímo souvisí se smykovou rychlostí (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Newtonské a nenewtonské tekutiny

Newtonské kapaliny, jak se jim říká, mají konstantní viskozitu. Jak zvyšujete sílu, odpor se zvyšuje, ale je to úměrné zvýšení. Bez ohledu na to, jak velká síla působí na newtonskou tekutinu, stále se chová jako tekutina. A Newtonská tekutina je kapalina, která se řídí Newtonovým zákonem tření, kde viskozita je nezávislá na rychlosti deformace.

Viskozita zůstává konstantní bez ohledu na změny ve smykové rychlosti nebo míchání. S rostoucí rychlostí čerpadla se úměrně zvyšuje průtok. Mezi kapaliny vykazující newtonovské chování patří voda, minerální oleje, sirup, uhlovodíky a pryskyřice.

Nenewtonské kapaliny

A nenewtonská kapalina je takový, který se neřídí Newtonovým zákonem tření. Většina tekutinových systémů není newtonovská (známá jako nenewtonské kapaliny) a jejich viskozita není konstantní, ale mění se v závislosti na zvyšování nebo snižování použité smykové rychlosti.

Mnoho kapalin vykazuje pokles viskozity jako funkce zvyšující se smykové rychlosti. Tyto tekutiny se nazývají pseudoplastické kapaliny. „Struktura“ kapaliny v těchto systémech je narušena působením vnější síly, což má za následek a smykové ztenčení chování. Pokud je počáteční mezičásticová (nebo molekulární) asociace silná, systém se může v klidu chovat jako pevná látka. Počáteční smykové napětí, které je nutné k překonání vnitřních sil a narušení konstrukce, je definováno jako výnosová hodnota systému. Materiály, které vykazují hodnotu kluzu a poté vykazují smykové ztenčování se zvyšující se rychlostí smyku, jsou definovány jako plastické kapaliny. Některé kapaliny vykazují zvýšení viskozity se zvyšující se rychlostí smyku, což je fenomén známý jako smykové zahušťování. Tyto materiály jsou definovány jako dilatační kapaliny.

Smykové napětí jako funkce smykové rychlosti [1]

Viskozita jako funkce smykové rychlosti [1]

Chování toku v průběhu času: Tixotropie

Složitá tekutina se v průběhu času přeskupuje, když je odstraněna vnější síla. Viskozita by tedy neměla být měřena pouze zvyšováním smykové rychlosti, jak se struktura rozrušuje, ale také snižováním smykové rychlosti, jak se systém znovu ustavuje. Tomu se říká hystereze.

Při rychlém zotavení by graf viskozity versus klesající smyková rychlost byl superponován na graf viskozity versus rostoucí smyková rychlost. Pokud tekutině trvá nějakou dobu, než obnoví svou strukturu, bude „křivka dolů“ pod „křivkou nahoru“. Tixotropie je definována jako projevující se smykové ztenčení se zvýšenou smykovou rychlostí a pomalejší zotavení s klesající smykovou rychlostí. v nethixotropní materiálů se křivky „nahoru“ a „dolů“ překrývají a dovnitř reopektický materiálů, křivka „dolů“ je nad křivkou „nahoru“.

Ale zatímco tixotropní tekutiny jsou občas mylně považovány za pseudoplastické tekutiny a reopektické tekutiny jsou občas mylně považovány za dilatační tekutiny, tyto dva typy tekutin se liší jedním zásadním způsobem: časovou závislostí. Změna viskozity s ohledem na napětí pro dilatantní a pseudooplastické kapaliny je nezávislá na čase. Ale u tixotropních kapalin se viskozita snižuje se zvýšeným napětím, čím déle je napětí aplikováno. Totéž platí pro reopektické kapaliny, viskozita se zvyšuje se zvýšeným napětím, čím déle je toto napětí aplikováno.

V každodenním životě používáme mnoho produktů, které vykazují tixotropní chování. Tixotropie je vlastnost, která vysvětluje, proč produkty osobní péče, jako jsou gely na vlasy a zubní pasty, přecházejí z tekutého do pevného stavu, když jsou zmáčknuty, ale poté se vracejí do pevného stavu, aby si zachovaly svůj tvar. Reologické vlastnosti strukturního rozkladu a regenerace v závislosti na čase určují kvalitu produktu.

Viskozita jako funkce smykové rychlosti – tixotropní a netixotropní chování (šipky ukazují rostoucí nebo klesající smykovou rychlost) [1]

Viskozita s ohledem na napětí v průběhu času (tixotropní vs. Rheopektické chování) [2]

Význam viskozity v každodenním životě

V mnoha různých oblastech může být viskozita ve skutečnosti docela užitečná, i když se zdá, že má v každodenním životě menší význam. Například:

• Mazání ve vozidlech.Když dáte olej do auta nebo náklaďáku, měli byste zvážit jeho viskozitu. Je to proto, že viskozita ovlivňuje tření, které ovlivňuje teplo. Kromě toho viskozita ovlivňuje jak rychlost spotřeby oleje, tak snadnost, s jakou vaše vozidlo startuje v horkých a studených podmínkách. Viskozita některých olejů zůstává stejná, když se zahřívají a ochlazují, zatímco jiné se zahříváním řídnou, což způsobuje problémy při provozu auta během horkého letního dne.
• Při přípravě a podávání pokrmů hraje významnou roli viskozita. Mnoho kuchyňských olejů se ochlazením stává mnohem viskóznější, zatímco jiné nemusí viskozitu změnit vůbec. Protože je tuk při zahřívání viskózní, při ochlazení ztuhne. V různých kuchyních je důležitá také viskozita omáček, polévek a dušeného masa. Po naředění se z husté bramborové a pórkové polévky stane francouzská vichyssoise. Med je například docela viskózní a může změnit „pocit v ústech“ některých potravin.
• Zařízení ve výrobě musí být správně mazáno, aby fungovalo hladce. Potrubí se může ucpat a ucpat viskózními mazivy. Tenká maziva neposkytují pohyblivým částem dostatečnou ochranu.
• Když jsou tekutiny injikovány intravenózně, může být rozhodující viskozita. Velký problém se týká viskozity krve: krev, která je příliš viskózní, může tvořit vnitřní sraženiny, zatímco krev, která je příliš řídká, se nesráží, což způsobuje nebezpečnou ztrátu krve a dokonce smrt.

Některé typické viskozity