Przejdź do głównej treści
+41 52 511 (SUI)     + 1 713 364 5427 (USA)     
Lepkość

Podstawowe pojęcia lepkości płynów

Co to jest lepkość?

Lepkość płynu jest miarą jego oporu przepływu. Opisuje wewnętrzne tarcie poruszającego się płynu. Lepkie płyny opierają się ruchowi, ponieważ ich skład molekularny powoduje duże tarcie wewnętrzne. Płyny o niskiej lepkości łatwo przepływają, ponieważ ich skład molekularny powoduje niewielkie tarcie, gdy są w ruchu.

Na poziomie molekularnym lepkość jest spowodowana interakcjami między różnymi cząsteczkami w płynie. Można to również uznać za tarcie między cząsteczkami. Podobnie jak w przypadku tarcia pomiędzy poruszającymi się ciałami stałymi, lepkość określa energię potrzebną do przepływu płynu.

Najlepszym sposobem na zobrazowanie tego jest przykład. Weźmy pod uwagę kubek wykonany ze styropianu z otworem na dole. Zauważam, że kubek bardzo powoli odpływa, gdy wlewamy do niego miód. Dzieje się tak, ponieważ lepkość miodu jest stosunkowo wysoka w porównaniu z innymi płynami. Gdy na przykład napełnimy ten sam kubek wodą, woda będzie spływać znacznie szybciej. Mówi się, że płyn o niskiej lepkości jest „cienki”, podczas gdy płyn o wysokiej lepkości jest „gruby”. Łatwiej jest poruszać się w płynie o niskiej lepkości (takim jak woda) niż w płynie o wysokiej lepkości (takim jak miód).


Czynniki wpływające na lepkość

Na lepkość wpływa wiele czynników. Przykłady obejmują temperaturę, ciśnienie i dodanie innych cząsteczek. Ciśnienie ma niewielki wpływ na płyny i często jest ignorowane. Dodawanie cząsteczek może mieć znaczący wpływ. Na przykład cukier sprawia, że ​​woda staje się bardziej lepka.

Największy wpływ na lepkość ma jednak temperatura. Wzrost temperatury w cieczy zmniejsza lepkość, ponieważ daje cząsteczkom energię wystarczającą do przezwyciężenia przyciągania międzycząsteczkowego. Wpływ temperatury na lepkość jest odwrotny dla gazów. Wraz ze wzrostem temperatury gazu wzrasta lepkość. Na lepkość gazu nie wpływa znacząco przyciąganie międzycząsteczkowe, ale wzrost temperatury, co powoduje zderzenia większej liczby cząsteczek.


Lepkość dynamiczna i kinetyczna

Są dwa sposoby zgłaszania lepkości. Absolutny lub lepkość dynamiczna jest miarą oporu przepływu płynu podczas lepkość kinematyczna jest stosunkiem lepkości dynamicznej do gęstości płynu. Chociaż zależność jest prosta, ważne jest, aby pamiętać, że dwa płyny o tych samych wartościach lepkości dynamicznej mogą mieć różne gęstości, a tym samym różne wartości lepkości kinematycznej. I oczywiście lepkość dynamiczna i lepkość kinematyczna mają różne jednostki.


Jednostki lepkości

Jednostką SI dla lepkości jest niutonsekunda na metr kwadratowy (N·s/m2). Jednak często zobaczysz lepkość wyrażoną w paskalosekundach (Pa·s), kilogramach na metr na sekundę (kg·m−1·s−1), puazach (P lub g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) lub centypuaz (cP). To sprawia, że ​​lepkość wody w temperaturze 20 °C wynosi około 1 cP lub 1 mPa·s.

W inżynierii amerykańskiej i brytyjskiej inną powszechną jednostką jest funt-sekunda na stopę kwadratową (lb·s/ft2). Alternatywną i równoważną jednostką jest funt-siła-sekundy na stopę kwadratową (lbf·s/ft2).

 

Jednostki lepkości dynamicznej

Równowaga (symbol: P)

Poise (symbol: P) Nazwany na cześć francuskiego lekarza Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869), jest to jednostka lepkości CGS, odpowiadająca dyn-sekundzie na centymetr kwadratowy. Jest to lepkość płynu, w którym siła styczna 1 dyn na centymetr kwadratowy utrzymuje różnicę prędkości 1 centymetr na sekundę między dwiema równoległymi płaszczyznami oddalonymi od siebie o 1 centymetr. Nawet w odniesieniu do płynów o dużej lepkości jednostka ta jest najczęściej spotykana jako centypuaz (cP), który wynosi 0.01 puazów. Wiele płynów codziennego użytku ma lepkość od 0.5 do 1000 cP

Pascal-sekunda (symbol: Pa·s)

Jest to jednostka lepkości w układzie SI, odpowiadająca niutonosekundowi na metr kwadratowy (N·sm–2). Bywa określany jako „poiseuille” (Pl). Jeden puaz to dokładnie 0.1 Pa·s. Jeden puiseuille to 10 puazów lub 1000 cP, podczas gdy 1 cP = 1 mPa·s (jedna milipaskal-sekunda).

 

Jednostki lepkości kinematycznej

Stokes (symbol: St)

Jest to jednostka cgs, odpowiadająca centymetrowi kwadratowemu na sekundę. Jeden stokes jest równy lepkości w puazach podzielonej przez gęstość płynu w g cm–3. Najczęściej spotykany jako centystoks (cSt) (= 0.01 stokesa).

Saybolt Seconds Universal

Jest to czas, w którym 60 ml płynu przepływa przez skalibrowany otwór wiskozymetru Saybolt Universal w określonej temperaturze lepkości kinematycznej, zgodnie z metodą testową ASTM D 88. W przypadku wyższych lepkości stosuje się SSF (Saybolt Seconds Furol).


Wzór na lepkość

Podstawowy model przepływu między dwiema płytami [1]

Podstawowy model przepływu między dwiema płytami [1]

Stosunek siły zewnętrznej (F) do dotkniętego obszaru (A) jest zdefiniowany jako naprężenie ścinające (σ):

σ = F/A

W ramach projektu odkształcenie przy ścinaniu (γ) definiuje się jako względną zmianę długości materiału spowodowaną siłą zewnętrzną:

γ = l/l0

Stosunek naprężenia ścinającego (σ) i odkształcenie ścinające (γ) jest zdefiniowany jako moduł (G):

G = σγ

Jeśli górna płyta na rysunku 1 porusza się z określoną prędkością (v), gradient prędkości dv/dx jest zdefiniowany jako szybkość ścinania (γ). Sir Isaac Newton, który sformułował prawa ruchu i uniwersalnej grawitacji, odkrył, że w płynach idealnych (znanych jako płyny newtonowskie) naprężenie ścinające (σ) jest bezpośrednio związane z szybkością ścinania (γ):

σ = γ̇ or η = σ/γ


Płyny newtonowskie i nienewtonowskie

 

Płyny newtonowskie, jak się je nazywa, mają stałą lepkość. Gdy zwiększasz siłę, opór rośnie, ale jest to wzrost proporcjonalny. Bez względu na to, jak dużą siłę przyłoży się do płynu newtonowskiego, zachowuje się on jak płyn. A Płyn Newtona jest płynem zgodnym z prawem tarcia Newtona, w którym lepkość jest niezależna od szybkości odkształcenia.

Lepkość pozostaje stała niezależnie od zmian szybkości ścinania lub mieszania. Wraz ze wzrostem prędkości pompy proporcjonalnie wzrasta przepływ. Ciecze wykazujące zachowanie Newtona obejmują wodę, oleje mineralne, syrop, węglowodory i żywice.

 

Płyny nienewtonowskie

 

ciecz nieniutonowska to taki, który nie przestrzega prawa tarcia Newtona. Większość układów płynów nie jest newtonowskich (znanych jako płyny nienewtonowskie), a ich lepkość nie jest stała, ale zmienia się w funkcji zwiększania lub zmniejszania zastosowanej szybkości ścinania.

Wiele płynów wykazuje spadek lepkości w funkcji rosnącej szybkości ścinania. Te płyny nazywają się płyny pseudoplastyczne. „Struktura” płynu w tych układach ulega rozkładowi pod wpływem siły zewnętrznej, co powoduje a przerzedzanie ścinaniem zachowanie. Jeśli początkowa asocjacja międzycząsteczkowa (lub molekularna) jest silna, układ może zachowywać się jak ciało stałe w spoczynku. Początkowe naprężenie ścinające, które jest wymagane do pokonania sił wewnętrznych i rozerwania konstrukcji, określa się jako wartość plonu systemu. Materiały, które wykazują granicę plastyczności, a następnie wykazują przerzedzenie ścinania wraz ze wzrostem szybkości ścinania, definiuje się jako płyny z tworzyw sztucznych. Niektóre płyny wykazują wzrost lepkości wraz ze wzrostem szybkości ścinania, zjawisko znane jako pogrubienie ścinaniem. Materiały te są zdefiniowane jako płyny rozszerzające.

Naprężenie ścinające w funkcji szybkości ścinania [1]

Naprężenie ścinające w funkcji szybkości ścinania [1]


Lepkość jako funkcja szybkości ścinania [1]

Lepkość jako funkcja szybkości ścinania [1]


Zachowanie przepływu w czasie: tiksotropia

Złożony płyn zmienia się wraz z upływem czasu po usunięciu siły zewnętrznej. Zatem lepkość powinna być mierzona nie tylko poprzez zwiększanie szybkości ścinania w miarę rozpadu struktury, ale także przez zmniejszanie szybkości ścinania w miarę samoistnego przywracania układu. Nazywa się to histerezą.

W szybkim powrocie wykres lepkości w funkcji zmniejszającej się szybkości ścinania byłby nałożony na wykres lepkości w funkcji rosnącej szybkości ścinania. Jeśli płyn potrzebuje czasu, aby przywrócić swoją strukturę, „krzywa dolna” będzie poniżej krzywej „górnej”. Tiksotropia definiuje się jako wykazujące przerzedzenie ścinania ze zwiększoną szybkością ścinania i wolniejsze odzyskiwanie ze zmniejszającą się szybkością ścinania. w nietiksotropowy materiałów, krzywe „góra” i „dół” nakładają się na siebie reoptyka materiałów, krzywa „w dół” znajduje się powyżej krzywej „w górę”.

Ale podczas gdy płyny tiksotropowe są czasami mylone z płynami pseudoplastycznymi, a płyny reopektyczne są czasami mylone z płynami dylatacyjnymi, te dwa rodzaje płynów różnią się pod jednym zasadniczym względem: zależnością od czasu. Zmiana lepkości w odniesieniu do naprężeń dla płynów dylatacyjnych i pseudoplastycznych jest niezależna od czasu. Jednak w przypadku płynów tiksotropowych lepkość maleje wraz ze wzrostem naprężenia, im dłuższe jest naprężenie. To samo dotyczy płynów reopektycznych, lepkość wzrasta wraz ze wzrostem naprężenia, im dłuższe jest stosowane naprężenie.

W życiu codziennym używamy wielu produktów, które wykazują właściwości tiksotropowe. Tiksotropia to właściwość, która wyjaśnia, dlaczego produkty do higieny osobistej, takie jak żele do włosów i pasta do zębów, po ściśnięciu przechodzą ze stanu ciekłego w stan stały, po czym wracają do stanu stałego, aby zachować swój kształt. Właściwości reologiczne rozkładu i regeneracji strukturalnej w funkcji czasu decydują o jakości produktu.

 

Lepkość jako funkcja szybkości ścinania – zachowanie tiksotropowe i nietiksotropowe (strzałki pokazują zwiększającą się lub zmniejszającą szybkość ścinania) [1]

Lepkość jako funkcja szybkości ścinania – zachowanie tiksotropowe i nietiksotropowe (strzałki pokazują zwiększającą się lub zmniejszającą szybkość ścinania) [1]


Lepkość w odniesieniu do stresu w czasie (zachowanie tiksotropowe vs rheopektyczne) [2]

Lepkość w odniesieniu do stresu w czasie (zachowanie tiksotropowe vs rheopektyczne) [2]


Znaczenie lepkości w życiu codziennym

W wielu różnych dziedzinach lepkość może być całkiem użyteczna, chociaż wydaje się, że ma niewielkie znaczenie w życiu codziennym. Na przykład:

  • Smarowanie w pojazdach.Wlewając olej do samochodu lub ciężarówki, należy wziąć pod uwagę jego lepkość. Dzieje się tak, ponieważ lepkość wpływa na tarcie, które wpływa na ciepło. Ponadto lepkość wpływa zarówno na tempo zużycia oleju, jak i na łatwość rozruchu pojazdu w gorących i zimnych warunkach. Lepkość niektórych olejów pozostaje taka sama, gdy są one gorące i zimne, podczas gdy inne stają się rzadsze, gdy się nagrzewają, powodując problemy podczas jazdy samochodem w gorący letni dzień.
  • W przygotowywaniu i serwowaniu potraw lepkość odgrywa znaczącą rolę. Wiele olejów kuchennych staje się znacznie bardziej lepkich podczas chłodzenia, podczas gdy inne mogą wcale nie zmieniać lepkości. Ponieważ tłuszcz jest lepki po podgrzaniu, po schłodzeniu staje się twardy. Lepkość sosów, zup i gulaszu jest również ważna w różnych kuchniach. Po rozrzedzeniu gęsta zupa ziemniaczano-porowa staje się francuskim vichyssoise. Na przykład miód jest dość lepki i może zmienić „odczucie w ustach” niektórych pokarmów.
  • Sprzęt w produkcji musi być odpowiednio nasmarowany, aby działał płynnie. Rurociągi mogą zostać zablokowane i zatkane przez lepkie smary. Cienkie smary zapewniają niewystarczającą ochronę ruchomych części.
  • Kiedy płyny są wstrzykiwane dożylnie, lepkość może mieć kluczowe znaczenie. Główny problem dotyczy lepkości krwi: zbyt lepka krew może tworzyć wewnętrzne skrzepy, podczas gdy zbyt rzadka krew nie krzepnie, powodując niebezpieczną utratę krwi, a nawet śmierć.

Niektóre typowe lepkości

 

Wszystkie produktyPłynKonkretny
Powaga
Lepkość CPS  
Numer Referencyjnywoda11
KlejeKleje "pudełkowe"1 + -3000
Guma i rozpuszczalniki115000
Piekarniaciasto12000
emulgator20
lukier110000
Lektytyna3,250 przy 125°F
77% słodzone mleko skondensowane1.310,000 przy 77°F
gnojowica drożdżowa 15%1180
Piwo/Winopiwo11.1 przy 40°F
Skoncentrowane Drożdże Piwne (80% suchej masy)16,000 przy 40°F
Brzeczka
wino1
CukierniaKarmel1.2400 przy 140°F
Czekolada1.117,000 przy 120°F
Krówka (Gorąca)1.136000
Toffi1.287000
Kosmetyki/mydłaKrem do twarzy10000
Żel do włosów1.45000
Szampon5000
Pasta do zębów20000
Środek do czyszczenia rąk2000
MleczarniaTwarożek1.08225
Kremy1.0220 przy 40°F
Mleko1.031.2 przy 60°F
Ser procesowy30,000 przy 160°F
Jogurt1100
DetergentyKoncentrat detergentu10
Barwniki i atramentyAtrament do drukarek1 do 1.3810000
Barwnik1.110
Guma5000
Tłuszcze i olejeOlej kukurydziany0.9230
Olej lniany0.9330 przy 100°F
Olej z orzechów0.9242 przy 100°F
Olej sojowy0.9536 @ 100°F
Olej roślinny0.923 przy 300°F
Różne ŻywnośćPasta z czarnej fasoli10000
Kukurydza w stylu kremowym130 przy 190°F
Catsup (Ketsup)1.11560 przy 145°F
Pablum4500
Pulpa gruszkowa4,000 przy 160°F
Tłuczone ziemniaki120000
Skórki ziemniaczane i żrące20,000 przy 100°F
Sok z suszonych śliwek160 przy 120°F
Koncentrat soku pomarańczowego1.15,000 przy 38°F
Pudding z tapioki0.71,000 przy 235°F
majonez15,000 przy 75°F
33% Pasta Pomidorowa1.147000
kochanie1.51,500 przy 100°F
Produkty mięsneStopione tłuszcze zwierzęce0.943 przy 100°F
Tłuszcze z mielonej wołowiny0.911,000 przy 60°F
Emulsja mięsna122,000 przy 40°F
Karma dla zwierząt111,000 przy 40°F
Gnojowica z tłuszczu wieprzowego1650 przy 40°F
Różne Środki chemiczneGlikole1.135 @ Zasięg
MalowaćMetaliczne farby samochodowe220
Rozpuszczalniki0.8 do 0.90.5 do 10
Zawiesina dwutlenku tytanu10000
Lakier1.06140 przy 100°F
Terpentyna0.862 przy 60°F
Papier i tekstyliaSmoła z likieru czarnego2,000 przy 300°F
Powłoka papierowa 35%400
Siarczek 6%1600
Czarny likier1.31,100 przy 122°F
Mydło w likierze czarnym7,000 przy 122°F
Produkty naftowe i naftoweAsfalt (niemieszany)1.3500 do 2,500
Benzyna0.70.8 przy 60°F
Nafta oczyszczona0.83 przy 68°F
Olej opałowy #60.9660 przy 122°F
Olej samochodowy SAE 400.9200 przy 100°F
Olej samochodowy SAE 900.9320 przy 100°F
Propan0.460.2 przy 100°F
Tars1.2Szeroki zasięg
FarmaceutykiOlej rycynowy0.96350
Syrop na kaszel1190
„Żołądkowe” zawiesiny lecznicze1500
Pasty do pigułek5,000 + -
Żywice plastikoweButadien0.940.17 przy 40°F
Żywica poliestrowa (Typ)1.43000
Żywica PVA (Typ)1.365000
(Można pompować szeroką gamę tworzyw sztucznych, lepkość jest bardzo zróżnicowana)
Skrobie i gumySkrobia kukurydziana Sol 22°B1.1832
Skrobia kukurydziana Sol 25°B1.21300
Cukier, Syropy, MelasaSyrop Kukurydziany 41 Be1.3915,000 przy 60°F
Syrop Kukurydziany 45 Be1.4512,000 przy 130°F
Glukoza1.4210,000 przy 100°F
Melasa A1.42280 do 5,000 @ 100°F
B1.43 do 1.481,400 do 13,000 @ 100°F
C1.46 do 1.492,600 do 5,000 @ 100°F
Syropy cukrowe
60 Brix1.2975 przy 60°F
68 Brix1.34360 przy 60°F
76 Brix1.394,000 przy 60°F
Oczyszczanie wody i ściekówOsad ściekowy klarowany1.1Zakres 2,000

Chcesz poznać naszą technologię pomiaru czujników?

Obejrzyj wideo lub przeczytaj nasze oficjalne dokumenty.

Szukaj