Viszkozitás

bélyegkép|150px|Méz jobbra|bélyegkép|280x280px|Viszkózus folyadék viselkedésének bemutatása

A viszkozitás, más elnevezéssel a belső súrlódás egy gáz vagy folyadék belső ellenállásának mértéke a csúsztatófeszültséggel szemben. Így a víz folyékonyabb, kisebb a viszkozitása, míg az étolaj vagy a méz kevésbé folyékony, nagyobb a viszkozitása. Minden valóságos folyadéknak vagy gáznak van viszkozitása (kivéve a szuperfolyékony anyagoknak); az ideális folyadék és ideális gáz viszkozitása nulla. A köznyelvben általában a nagy viszkozitású anyagokat sűrűn folyónak vagy egyszerűen sűrűnek, a kis viszkozitásúakat pedig könnyen mozgónak vagy hígnak nevezik, azonban a sűrűség mint fizikai fogalom mást jelent, illetve a „híg” kifejezést helyesebb az ’alacsony koncentráció’ értelemben használni.

A viszkozitás szó a latin viscum-ból származik, mely fagyöngyöt, ill. a belőle főzött ragadós anyagot jelentette (madárlép), melyet madárfogásra használtak.

Newton elmélete 400px|balra

Egy gáz vagy folyadék lamináris áramlása során a közeg egyes rétegei különböző sebességgel áramlanak. A különböző sebességű rétegek elcsúsznak, súrlódnak egymáson, melynek következtében nyíróerő lép fel. Ennek az erőnek semmi köze a szilárd testek elmozdításakor ébredő súrlódáshoz, mert a felületre merőleges erőnek (jelen esetben a gáz- vagy a folyadékrétegeknek egymásra gyakorolt nyomásából származó erőnek) nincs hatása a nyíróerőre. Ezen kívül a szilárd testek súrlódásával ellentétben nyugvó gáz vagy folyadék rétegei között nem lép fel nyíróerő.

A viszkozitás értelmezését elsőként Newton adta meg, aki feltételezte, hogy a rétegek párhuzamos és egyenletes áramlása esetén az elmozdulás irányával ellentétes irányú belső súrlódási erő (F) egyenesen arányos a súrlódó felületek nagyságával (A) és a sebességgradienssel (du/dy). Az arányossági tényező az adott gáz vagy folyadék anyagi minőségére jellemző állandó a dinamikai viszkozitás (η):

Az F/A fizikai mennyiség a csúsztatófeszültség τ, amelynek a segítségével a törvény az alábbi alakban is felírható:

bélyegkép|200px|Különböző típusú folyadékokban a nyírófeszültség függése a sebességgradienstől. 1 – dilatáns folyadék, 2 – newtoni folyadék, 3 - pszeudoplasztikus folyadék, 4 - Bingham-folyadék, 5 – plasztikus folyadék

ahol , a sebességgradiens, más elnevezéssel nyírási sebesség.

Más megfogalmazásban a Newton-féle viszkozitási törvény kimondja, hogy az egyes rétegek közötti csúsztatófeszültség egyenesen arányos a sebességgradienssel. Több folyadék, mint például a víz és a legtöbb gáz kielégíti Newton feltételét; ezeket newtoni folyadékoknak nevezik. A folyadékok esetén ennél összetettebb összefüggés áll fenn a csúsztatófeszültség és a sebességgradiens között.

A dinamikai viszkozitásból kiindulva definiáltak még számos egyéb viszkozitást is. A legismertebb és a kenéstechnikában legáltalánosabban használatos a kinematikai viszkozitás, amely a dinamikai viszkozitás η és a folyadék sűrűségének ρ a hányadosa:

A folyadékok viszkozitásának a mérése

A dinamikai, illetve a kinematikai viszkozitás mérése viszkoziméterekkel relatív módon történik. A készüléket akár gyárilag, akár a mérés során, ismert viszkozitású folyadékkal kalibrálni kell.

A működési elv alapján az alábbi típusú viszkozimétereket különböztetjük meg:

Kapilláris viszkoziméter bélyegkép|jobbra|250px|Ostwald-féle viszkoziméter

A Hagen-Poisseuille-törvény a kör keresztmetszetű csőben történő folyadékáramlás körülményeit írja le; a viszkoziméter kapillárisában létrejövő folyadékáramlásra felírva, és a dinamikai viszkozitást kifejezve, az alábbi összefüggést kapjuk: .

A kifejezésben:

R a kapilláris sugara, m

L a kapilláris hossza, m

V a folyadék térfogata, amely a kapillárison áthalad, m³

ρ a folyadék sűrűsége, kg/m³

ρgh a hidrosztatikai nyomáskülönbség, aminek hatására a kapillárisban létrejön a folyadékáramlás, Pa

t az átfolyási idő, s

k a készüléknek a méretével összefüggő konstans jellemzőit, valamint az állandókat foglalja magába, és viszkoziméter-állandónak nevezik. Ezt az állandót ismert viszkozitású folyadék átfolyási idejének a mérésével kell megállapítani (kalibráció).

„k” mértékegysége: m²/s²

Ha a fenti kifejezést elosztjuk a folyadék sűrűségével, akkor a kinematikai viszkozitás az átfolyási idő ismeretében közvetlenül számítható.

.

Ezen az elméleti alapon működik például az Ostwald-, az Ostwald-Fenske-, az Ubbelohde-féle stb. viszkoziméter.

Rotációs viszkoziméter Egy álló és egy forgó, koncentrikusan elhelyezkedő henger közötti folyadék viszkozitását a torziós rugón keresztül forgatott hengeren fellépő fékező nyomatékot mérik.

Torziós viszkoziméter Torziós fémszálra függesztett henger merül a mérendő folyadékba. A nyugalmi helyzetből kimozdított (elfordított) henger csillapodó alternáló forgómozgás csillapodásának a mértékét mérik.

Eső golyós viszkoziméter bélyegkép|jobbra|200px|Höppler-féle viszkoziméter

A mellékelt ábrán látható Höppler-féle viszkoziméter működése a Stokes-törvényen alapul. A vizsgálandó folyadékkal töltött, kissé ferdén elhelyezkedő üvegcső vízfürdővel termosztálható. A folyadékban mozgó R sugarú golyó sebességének (v) meghatározása a cső két jele közötti távolság (L) megtételéhez szükséges idő (t) mérésével történik. A lefelé mozgó golyóra három erő hat. A lefelé irányuló nehézségi erő (Fg), a felfelé mutató felhajtóerő (Ffel) és a mozgást akadályozó, tehát szintén felfelé mutató, a folyadék dinamikai viszkozitásával (η) arányos (Fs) súrlódási erő. Mivel a golyó állandó sebességgel egyenletesen mozog, a ható erők eredője zérus. A nehézségi erő és a felhajtó erő különbsége:

ahol a golyó és folyadék sűrűségének a különbsége.

A súrlódási erő nagysága:

, ahol .

A folyadék dinamikai viszkozitására tehát a következő összefüggés adódik:

A készülékhez különböző méretű és anyagú, azaz sűrűségű – pl. üveg-, acél- – golyók tartoznak, ezek megfelelő választásával lehet a vizsgálni kívánt folyadék viszkozitásához hangolni a készülékkel mérhető viszkozitástartományt.

Vibrációs viszkoziméter A mérendő folyadékba keskeny fémlemez merül, amelyet kényszerrezgésben tartanak. A viszkozitástól függően a rezgés frekvenciája megváltozik, s ezt a változást mérik. bélyegkép|jobbra|100px|Engler-féle viszkoziméter

Egyéb viszkoziméter Például az Engler-féle viszkoziméter, amely kettős falú, termosztálható fémedény. Az alsó részén meghatározott méretű kifolyónyílás található. Adott mennyiségű folyadék kifolyási idejét mérik. A mérési eredményt Engler-fokban (°E) adják meg, amely az adott hőmérsékletű folyadék és az ugyanolyan hőmérsékletű víz kifolyási idejének a hányadosa. Az Engler-fok relatív adat, így az átszámítás stokesra vagy m²-ra táblázat segítségével történhet. Az Engler-féle viszkoziméter Karl Engler német kémikusról kapta a nevét.

A viszkozitás mértékegységei Dinamikai viszkozitás: η A dinamikai viszkozitás SI mértékegysége:

a pascal·másodperc, mely megegyezik az 1 kg·m−1·s−1-mal.

A dinamikus viszkozitás cgs rendszerű mértékegysége a poise (P), melyet Jean Louis Marie Poiseuille-ról neveztek el. Gyakrabban ennek századrészét, a centipoise-t (cP) használták. A centipoise széles körű használatának az az oka, hogy a víz viszkozitása 20 °C hőmérsékleten 1,0020 cP.

1 poise = 100 centipoise = 1 g·cm−1·s−1 = 0,1 Pa·s. 1 centipoise = 0,001 Pa·s.

Kinematikai viszkozitás: ν = η/ρ

A kinematikai viszkozitás SI-mértékegysége:

cgs egysége a stokes, jele: St, melyet George Gabriel Stokesról neveztek el. Néha helyette a centistokes (cSt) használatos. Amerikában gyakran a stoke formában használják (mintha a stokes a többes száma lenne).

1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²·s−1 = 0,0001 m²·s−1.

A kinematikai viszkozitás a folyadékban (gázban) keltett örvényszerű zavarok öncsillapodásának gyorsaságát jellemzi. Ebben a folyamatban a folyadékban tárolt mozgási energiát a viszkozitás emészti fel. A lecsengés sebessége függ a zavar jellemző lineáris méretétől: kétszer akkora méret esetén a lecsengés négyszer annyi ideig tart. Ez fejeződik ki a m²·s−1 mértékegységben. A jelenség sokban hasonlít a hőmérséklet-különbségek kiegyenlítődésnek dinamikájához valamely homogén anyagban. A hőmérséklet-vezetési tényező mértékegysége szintén m²·s−1.

A kinematikai (ν) és dinamikai (η) viszkozitás közötti átszámítás

η = ν·ρ, így ha ν = 1 St, akkor η = ν·ρ = 0,1 kg·m−1s−1·(ρ/(g/cm³))=0,1 poise·(ρ/(g/cm³)).

Anyagok viszkozitása + Az anyagok dinamikai viszkozitása atmoszferikus nyomáson mérve Anyag Hőmérséklet(°C) Dinamikai viszkozitás(Pa·s) hidrogén 0 8,4 × 10−6 50 9,3 × 10−6 100 10,3 × 10−6 levegő 0 17,1 × 10−6 50 19,4 × 10−6 100 22,0 × 10−6 xenon 0 21,2 × 10−6 víz 0 1,79 × 10−3 20,2 10−3 50 0,55 × 10−3 100 0,28 × 10−3 jég −13 15 × 1012 higany 20 17,0 × 10−3 aceton 0,326 × 10−3 etil-alkohol 0,248 × 10−3 metil-alkohol 0,59 × 10−3 benzol 0,64 × 10−3 nitro-benzol 2,0 × 10−3 bitumen 20 108 melasz 20 102 méz 20 101 ricinusolaj 20 0,985 olívaolaj 20 [81 × 10−3 ... 100 × 10−3] tejszín 20 10 × 10−3 vér 37 [4 × 10−3 ... 25 × 10−3] kőolaj 20 0,65 × 10−3 üveg 20 1040

Hőmérsékletfüggése bélyegkép|300px|Olajok viszkozitása a hőmérséklet függvényében. 1 – hengerolaj, 2 – differenciálolaj, 3 – nehéz motorolaj, 4 – könnyű motorolaj, 5 – könnyű téli motorolaj, 6 – gépolaj, 7 – turbinaolaj, 8 – transzformátorolaj, 9 – műszerolaj A folyadékok viszkozitása exponenciálisan csökken a hőmérséklet növekedésével.

A dinamikai viszkozitás hőmérsékletfüggését az Arrhenius–Andrade-összefüggés írja le:

ahol ηo anyagi állandó, Pa·s

az E‡ a viszkozitás aktiválási energiája, J/mol

az egyetemes gázállandó,

az abszolút hőmérséklet, K.

Ha tehát az anyagok viszkozitásának a logaritmusát az abszolút hőmérséklet reciprokának a függvényében ábrázoljuk, elméletileg egyeneseket kapunk. Ezeknek az egyeneseknek az iránytangensei arányosak az adott folyadék viszkozitási aktiválási energiájával. A kenőanyagok esetében gyakran fontos követelmény, hogy a viszkozitás minél kisebb mértékben függjön a hőmérséklettől (téli-nyári minőség). Kenőolajok esetén ez azért fontos, mert csapágyak kenésénél a külső hőmérséklet jelentősen befolyásolja a kenőolaj választását.

Jegyzetek

Kategória:Áramlástan Kategória:Fizikai kémia Kategória:Kondenzált anyagok fizikája Kategória:Anyagvizsgálatok