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: św.)

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]

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

σ = F/A

Połączenia 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 = σ/ γ

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

A 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]

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 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