ویسکوزیته Viscosity مقاومت سیال در برابر جریان است. ویسکوزیته یا گرانروی، مقاومت یک سیال (مایع یا گاز) در برابر تغییر شکل، یا حرکت بخش های مجاور نسبت به یکدیگر است و نشان دهنده مخالفت با جریان است. متقابل آن، سیالیت نامیده می شود که معیاری برای سهولت جریان است.
محدوده شاخص گرانروی سیال (VI):
روغن موتور: 80 – 110
سیال هیدرولیک: 95 – 150 (برخی از 200 فراتر می روند)
سیال انتقال: 150 – 200 (یا بالاتر)
روغن دنده: 80 – 120
گریس موتور: 90 – 120
مایع ترمز: 150 – 190
روغن آشپزی: 60 – 90
عسل: 10 – 20
آب: 1 (نسبتا ثابت)
پروپیلن گلیکول: 0.042 Pa·s
گلیسیرین: 1.412 Pa·s (20 °C)
روغن کرچک: 2·42Ns/m²
از آنجایی که بخشی از سیال که مجبور به حرکت است تا حدودی قسمت های مجاور را با خود حمل می کند، گرانروی ممکن است به عنوان اصطکاک داخلی بین مولکول ها در نظر گرفته شود.
چنین اصطکاکی با ایجاد اختلاف سرعت در یک سیال مخالف است. گرانروی عامل اصلی در تعیین نیروهایی است که هنگام استفاده از سیالات در روانکاری و حمل در خطوط لوله باید بر آنها غلبه کرد. جریان مایع را در فرآیندهایی مانند پاشش، قالب گیری تزریقی و پوشش سطحی کنترل می کند.
برای بسیاری از سیالات، تنش مماسی یا برشی که باعث جریان می شود، مستقیماً با نرخ کرنش برشی یا سرعت تغییر شکل حاصله، متناسب است. به عبارت دیگر، تنش برشی تقسیم بر نرخ کرنش برشی برای یک سیال معین در دمای ثابت، ثابت است.
این ثابت، ویسکوزیته دینامیکی یا مطلق و اغلب به سادگی ویسکوزیته نامیده می شود. سیالاتی که به این شکل رفتار می کنند، سیالات نیوتنی نامیده می شوند، به افتخار سر اسحاق نیوتن، که برای اولین بار این توصیف ریاضی ویسکوزیته را فرموله کرد.
ابعاد دینامیکی نیرو × زمان ÷ مساحت است. بر این اساس، واحد گرانروی نیوتن-ثانیه بر متر مربع است که معمولاً به صورت پاسکال-ثانیه در واحدهای SI بیان می شود.
ویسکوزیته مایعات با افزایش دما به سرعت کاهش می یابد ولی گازها با افزایش دما افزایش می یابد. بنابراین، با گرم شدن، مایعات راحت تر جریان می یابند، در حالی که گازها کندتر جریان می یابند.
برای برخی از کاربردها، نوع سینماتیکی مفیدتر از نوع مطلق یا دینامیکی است. نوع سینماتیکی ویسکوزیته مطلق یک سیال تقسیم بر چگالی جرمی آن است. (چگالی جرمی جرم یک ماده تقسیم بر حجم آن است.) ابعاد نوع سینماتیکی مساحت تقسیم بر زمان است.
بیشتر بخوانید: پروپیلن گلیکول و اتیلن گلیکول
این سوال با مثال بهتر پاسخ داده می شود. یک فنجان پلی استایرن را تصور کنید که در زیر آن سوراخی وجود دارد. اگر بعد از آن عسل را داخل فنجان بریزم، متوجه می شوم که فنجان به آرامی تخلیه می شود. به این دلیل که گران روی عسل در مقایسه با سایر مایعات زیاد است. اگر مثلاً همان فنجان را با آب پر کنم، آب لیوان خیلی سریعتر می شود.
ویسکوزیته یا گرانروی اندازه گیری مقاومت سیال در برابر جریان است. اصطکاک داخلی یک سیال متحرک را توصیف می کند. سیال با گرانروی زیاد در برابر حرکت مقاومت می کند زیرا ترکیب مولکولی آن اصطکاک داخلی زیادی به آن می دهد. سیال با نوع کم به راحتی جریان می یابد زیرا ترکیب مولکولی آن باعث ایجاد اصطکاک بسیار کمی در هنگام حرکت می شود.
واحدهای مناسب متر مربع در ثانیه هستند. واحد نوع سینماتیکی در سیستم سانتی متر گرم ثانیه (CGS) که استوک در بریتانیا و استوک در ایالات متحده نامیده می شود، به نام فیزیکدان بریتانیایی سر جورج گابریل استوکس نامگذاری شده است. استوک به صورت یک سانتی متر مربع در ثانیه تعریف می شود.
درک گرانروی به معنای رمزگشایی فعل و انفعالات مولکولی درون مایعات است. مولکول ها جذب و برهم کنش می کنند و بر آن تأثیر می گذارند. برخی از سیالات چسبندگی مولکولی محکمی دارند (گران روی بالا)، در حالی که برخی دیگر به راحتی جریان می یابند (گران روی کم). ویسکوزیته یک ویژگی سیال است که مقاومت آن در برابر جریان را مشخص می کند، این ویژگی “ضخامت” یا “نازکی” یک مایع را نشان می دهد.
درک ویسکوزیته یا گرانروی بهینه سازی را برای چندین فرآیند باز می کند. در اینجا سه نمونه آورده شده است:
روغن کاری خودرو: در صنعت خودرو، عملکرد نرم موتور را با کاهش اصطکاک بین قطعات متحرک تضمین می کند. مایعات گیربکس و مایع خنک کننده نیز به ویسکوزیته مناسب برای انتقال کارآمد نیرو و خنک کننده موتور نیاز دارند.
پردازش مواد غذایی: در پخت و تولید نوشیدنی، تعیین بافت و احساس دهان بسیار مهم است. این بر روی “گسترش پذیری” در پخت و ریختن در نوشیدنی ها تأثیر می گذارد و بر رضایت مصرف کننده تأثیر می گذارد.
فرمولاسیون دارویی: در داروسازی، ویسکوزیته بر سیستم های تحویل دارو تأثیر می گذارد و از تجویز و جذب مناسب دارو اطمینان می دهد. گران روی خون در تشخیص بیماری های قلبی عروقی، تأثیرگذاری بر پویایی جریان خون و کارایی گردش خون بسیار مهم است.
بیشتر بخوانید: اسید استئاریک در صنایع لاستیک سازی
ویسکوزیته یا گرانروی با استفاده از ویسکومتر اندازه گیری می شود که به سیال نیرو وارد می کند و مقاومت آن را در برابر جریان اندازه گیری می کند.
ویسکومترهای مختلفی وجود دارد که هر کدام برای سیالات خاص و نیازهای اندازه گیری طراحی شده اند:
بیشتر بخوانید: میکروکریستالین سلولز چیست و چه کاربردی دارد؟
تعیین آن مستلزم تعیین کمیت چگونگی مقاومت اصطکاک داخلی سیال در برابر جریان است. این شامل به کارگیری معادلات و فرمول های مختلف ریاضی است که متناسب با خواص سیال و دقت مورد نظر است.
معادله مورد استفاده برای محاسبه ویسکوزیته یا گرانروی به سیال خاصی که اندازه گیری می شود و شرایط آزمایش بستگی دارد.
فرمول ویسکوزیته دینامیکی مقاومت سیال در برابر جریان را هنگام اعمال نیروی خارجی محاسبه می کند. با نماد η (eta) نشان داده می شود و در واحدهایی مانند پاسکال ثانیه (Pa·s) یا سانتی پویز (cP) اندازه گیری می شود.
این فرمول با تقسیم نیروی اعمالی (F) بر حاصل ضرب سرعت سیال (v) و زمان لازم برای جریان سیال (t) و سپس ضرب در معکوس سطح مقطع (A) به دست می آید. از جریان سیال به عبارت ساده تر، با در نظر گرفتن مقاومت سیال در برابر جریان، میزان آسانی حرکت سیال تحت تأثیر نیروی اعمالی را تعیین می‌کند.
فرمول ویسکوزیته سینماتیکی مقاومت سیال در برابر جریان را نسبت به چگالی آن محاسبه می کند. با نماد ν (nu) نشان داده می شود و در واحدهایی مانند متر مربع در ثانیه (m²/s) یا سنتیستوک (cSt) اندازه گیری می شود.
فرمول از تقسیم گران روی دینامیکی (η) بر چگالی سیال (ρ) به دست می آید. نوع سینماتیک بینش هایی را در مورد اینکه یک سیال مستقل از جرم آن تحت تأثیر گرانش به راحتی جریان می یابد، ارائه می دهد. در اصل، مقاومت سیال در برابر جریان را با توجه به چگالی آن کمیت می کند و امکان مقایسه بین سیالات با ترکیبات و چگالی های مختلف را فراهم می کند.
این معادلات نمایش های ساده شده ای هستند و در عمل، محاسبه آن ممکن است شامل فرمول های پیچیده تر یا روش های آزمایشی متناسب با ویژگی های خاص سیال و تنظیم اندازه گیری باشد.
بیشتر بخوانید: روغن زیتون برای یبوست
ساختار و ترکیب مولکولی یک سیال به طور قابل توجهی بر ویسکوزیته یا گرانروی آن تأثیر می گذارد.
مولکول ها را به صورت کره های کوچک در حرکت ثابت تجسم کنید. در مایعات خاص، مولکول ها به شدت بسته بندی شده اند و جاذبه قوی ایجاد می کنند، بنابراین مقاومت در برابر جریان افزایش می یابد و منجر به گران روی بالا می شود.
برعکس، سیالات دارای مولکول هایی که قادر به لغزش بدون زحمت از کنار یکدیگر هستند، گرانروی پایینی را نشان می دهند.
اندازه مولکولی، شکل و قطبیت عوامل کلیدی شکل دهنده این برهمکنش ها و در نتیجه بر آن هستند.
اندازه مولکول می تواند به طور قابل توجهی بر گران روی مایع تأثیر بگذارد.
به طور کلی، مولکول های بزرگتر به دلیل افزایش فعل و انفعالات مولکولی و درهم تنیدگی، مقاومت بیشتری در برابر جریان دارند. در نتیجه، مایعات متشکل از مولکول های بزرگتر تمایل دارند گران روی بالاتری از خود نشان دهند. برعکس، مایعات با مولکول های کوچک تر معمولاً نوع کمتری دارند زیرا می توانند آزادانه تر از کنار یکدیگر حرکت کنند.
بیشتر بخوانید: موم قالبگیری دندان چیست و چه کاربردی دارد؟
دما به طور قابل توجهی بر گرانروی تأثیر می گذارد، با یک روند واضح:
با افزایش دما، معمولا کاهش می یابد و بالعکس. این به این دلیل رخ می دهد که دمای بالاتر انرژی جنبشی مولکولی را افزایش می دهد و مولکول ها را قادر می سازد آزادانه تر حرکت کنند و تمایل آنها به چسبیدن را کاهش می دهد.
به عنوان مثال، حرارت دادن عسل را در مایکروویو در نظر بگیرید – چسبناک تر می شود و راحت تر جریان می یابد.
با این حال، این رابطه همیشه ساده نیست. سیالات خاص ممکن است رفتار پیچیده وابسته به دما را به دلیل تغییر در ساختار مولکولی یا انتقال فاز نشان دهند.
قیر – یک استثنای چسبناک
قیر، ماده غلیظی از نفت خام است که به دلیل جابجایی های مولکولی با دما تغییر می کند.
در دماهای پایین، قیر سخت می شود و ساخت و ساز مانند سنگفرش جاده را پیچیده می کند. اما با گرما، نرم می شود و استفاده از آن آسان تر می شود.
ویسکوزیته ارتباط نزدیکی با نیروهای جاذبه بین مولکول های مایع دارد. این نیروهای بین مولکولی، از جمله پیوند هیدروژنی و نیروهای پراکندگی لندن، تعیین می کنند که مولکول ها چقدر محکم به یکدیگر می چسبند.
مایعات با نیروهای بین مولکولی قوی تر معمولاً نوع بالاتری از خود نشان می دهند، زیرا مولکول های آن ها در برابر جریان قوی تر از کنار یکدیگر مقاومت می کنند.
درک این جاذبه ها به توضیح اینکه چرا موادی مانند آب دارای نوع بالاتری نسبت به موادی با نیروهای بین مولکولی ضعیف تر هستند کمک می کند.
منابع:
