Wat is viscositeit?

De viscositeit van een vloeistof is een maat voor de weerstand tegen stroming. Het beschrijft de interne wrijving van een bewegende vloeistof. Viskeuze vloeistoffen weerstaan ​​beweging omdat hun moleculaire samenstelling veel interne wrijving veroorzaakt. Vloeistoffen met een lage viscositeit vloeien gemakkelijk omdat hun moleculaire samenstelling weinig wrijving veroorzaakt wanneer ze in beweging zijn.

Op moleculair niveau wordt viscositeit veroorzaakt door de interacties tussen verschillende moleculen in een vloeistof. Dit kan ook worden beschouwd als wrijving tussen de moleculen. Net als in het geval van wrijving tussen bewegende vaste stoffen, bepaalt de viscositeit de energie die nodig is om een ​​vloeistof te laten stromen.

De beste manier om dit te visualiseren is door middel van een voorbeeld. Denk aan een beker gemaakt van piepschuim met een gat aan de onderkant. Ik merk dat het kopje heel langzaam leegloopt als we er honing in gieten. Dit komt omdat de viscositeit van honing relatief hoog is in vergelijking met andere vloeistoffen. Als we bijvoorbeeld dezelfde beker met water vullen, loopt het water veel sneller weg. Een vloeistof met een lage viscositeit wordt "dun" genoemd, terwijl een vloeistof met een hoge viscositeit "dik" is. Het is gemakkelijker om door een vloeistof met een lage viscositeit (zoals water) te bewegen dan door een vloeistof met een hoge viscositeit (zoals honing).

Factoren die de viscositeit beïnvloeden

De viscositeit wordt door veel factoren beïnvloed. Voorbeelden zijn temperatuur, druk en de toevoeging van andere moleculen. Druk heeft een klein effect op vloeistoffen en wordt vaak genegeerd. Het toevoegen van moleculen kan een significant effect hebben. Suiker maakt water bijvoorbeeld stroperiger.

Temperatuur heeft echter de grootste invloed op de viscositeit. Temperatuurstijgingen in een vloeistof verlagen de viscositeit omdat het moleculen genoeg energie geeft om intermoleculaire aantrekkingskracht te overwinnen. Het effect van temperatuur op viscositeit is het tegenovergestelde voor gassen. Naarmate de gastemperatuur stijgt, neemt de viscositeit toe. Gasviscositeit wordt niet significant beïnvloed door intermoleculaire aantrekking, maar door toenemende temperatuur, waardoor meer moleculen botsen.

Dynamische en kinetische viscositeit

Er zijn twee manieren om viscositeit te rapporteren. Absoluut of dynamische viscositeit is een maat voor de weerstand van een vloeistof om te stromen terwijl kinematische viscositeit is de verhouding van dynamische viscositeit tot de dichtheid van een vloeistof. Hoewel de relatie duidelijk is, is het belangrijk om te onthouden dat twee vloeistoffen met dezelfde dynamische viscositeitswaarden verschillende dichtheden kunnen hebben en dus verschillende kinematische viscositeitswaarden. En natuurlijk hebben dynamische viscositeit en kinematische viscositeit verschillende eenheden.

Viscositeitseenheden

De SI-eenheid voor viscositeit is newton-seconde per vierkante meter (N·s/m2). De viscositeit wordt echter vaak uitgedrukt in pascal-seconde (Pa·s), kilogram per meter per seconde (kg·m−1·s−1), poise (P of g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) of centipoise (cP). Dit maakt de viscositeit van water bij 20 °C ongeveer 1 cP of 1 mPa·s.

In de Amerikaanse en Britse techniek is een andere veelgebruikte eenheid pond-seconden per vierkante voet (lb·s/ft2). Een alternatieve en equivalente eenheid is pond-kracht-seconden per vierkante voet (lbf·s/ft2).

Dynamische viscositeitseenheden

Evenwicht (symbool: P)

Poise (symbool: P) Vernoemd naar de Franse arts Jean Louis Marie Poiseuille (1799– 1869), dit is de CGS-eenheid van viscositeit, gelijk aan dyne-seconde per vierkante centimeter. Het is de viscositeit van een vloeistof waarin een tangentiële kracht van 1 dyne per vierkante centimeter een snelheidsverschil van 1 centimeter per seconde handhaaft tussen twee evenwijdige vlakken die 1 centimeter uit elkaar liggen. Zelfs met betrekking tot vloeistoffen met een hoge viscositeit, wordt deze eenheid meestal aangetroffen als de centipoise (cP), die 0.01 poise is. Veel alledaagse vloeistoffen hebben viscositeiten tussen 0.5 en 1000 cP

Pascal-seconde (symbool: Pa·s)

Dit is de SI-eenheid van viscositeit, equivalent aan newton-seconde per vierkante meter (N·sm–2). Het wordt soms de "poiseuille" (Pl) genoemd. Eén poise is precies 0.1 Pa·s. Eén poiseuille is 10 poise of 1000 cP, terwijl 1 cP = 1 mPa·s (één millipascal-seconde).

Kinematische viscositeitseenheden:

Stokes (symbool: St)

Dit is de cgs-eenheid, wat overeenkomt met vierkante centimeter per seconde. Eén stokes is gelijk aan de viscositeit in poise gedeeld door de dichtheid van de vloeistof in g cm–3. Het wordt meestal aangetroffen als de centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt Seconden Universeel

Dit is de tijd waarin 60 ml vloeistof door de gekalibreerde opening van een Saybolt Universal-viscositeitsmeter stroomt bij een door de kinematische viscositeit gespecificeerde temperatuur, zoals voorgeschreven door testmethode ASTM D 88. Voor hogere viscositeiten wordt SSF (Saybolt Seconds Furol) gebruikt.

Formule voor viscositeit

Basismodel van stroming tussen twee platen [1]

De verhouding van de externe kracht (F) naar het getroffen gebied (A) wordt gedefinieerd als de schuifspanning (σ):

σ = F/A

De schuifspanning (γ) wordt gedefinieerd als de relatieve verandering in de lengte van het materiaal als gevolg van de externe kracht:

γ = l/l₀

De verhouding tussen de schuifspanning (σ) en de schuifspanning (γ) wordt gedefinieerd als de modulus (G):

G = σ/ γ

Als de bovenplaat in figuur 1 met een bepaalde snelheid beweegt (v), de snelheidsgradiënt dv/dx is gedefinieerd als de afschuifsnelheid (γ̇). Sir Isaac Newton, die de wetten van beweging en universele zwaartekracht formuleerde, ontdekte dat in ideale vloeistoffen (bekend als Newtoniaanse vloeistoffen), de schuifspanning (σ) is direct gerelateerd aan de afschuifsnelheid (γ̇):

σ = ηγγ or η = σ/γ̇

Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen

Newtoniaanse vloeistoffen, zoals ze worden genoemd, hebben een constante viscositeit. Naarmate je de kracht verhoogt, neemt de weerstand toe, maar het is een proportionele toename. Hoeveel kracht er ook op een Newtonse vloeistof wordt uitgeoefend, het blijft zich als een vloeistof gedragen. EEN Newtoniaanse vloeistof is een vloeistof die voldoet aan de wrijvingswet van Newton, waarbij de viscositeit onafhankelijk is van de reksnelheid.

De viscositeit blijft constant, ongeacht veranderingen in afschuifsnelheid of roering. Naarmate de pompsnelheid toeneemt, neemt de stroom evenredig toe. Vloeistoffen die Newtons gedrag vertonen zijn onder meer water, minerale oliën, siroop, koolwaterstoffen en harsen.

Niet-Newtoniaanse vloeistoffen

A niet-Newtoniaanse vloeistof is er een die de wrijvingswet van Newton niet gehoorzaamt. De meeste vloeistofsystemen zijn niet Newtoniaans (bekend als niet-Newtoniaanse vloeistoffen) en hun viscositeit is niet constant, maar verandert als functie van het verhogen of verlagen van de toegepaste afschuifsnelheid.

Veel vloeistoffen vertonen een afname in viscositeit als functie van toenemende afschuifsnelheid. Deze vloeistoffen heten pseudoplastische vloeistoffen. De "structuur" van de vloeistof in deze systemen wordt afgebroken door de externe kracht, wat resulteert in a afschuiving dunner gedrag. Als de initiële associatie tussen deeltjes (of moleculaire) sterk is, kan het systeem zich in rust gedragen als een vaste stof. De initiële schuifspanning die nodig is om de interne krachten te overwinnen en de structuur te verstoren, wordt gedefinieerd als de opbrengstwaarde van het systeem. Materialen die een vloeigrens vertonen en vervolgens afschuifverdunning vertonen met toenemende afschuifsnelheid worden gedefinieerd als: plastic vloeistoffen. Sommige vloeistoffen vertonen een toename in viscositeit met toenemende afschuifsnelheid, een fenomeen dat bekend staat als: afschuifverdikking. Deze materialen worden gedefinieerd als: dilaterende vloeistoffen.

Schuifspanning als functie van de schuifsnelheid [1]

Viscositeit als functie van afschuifsnelheid [1]

Stromingsgedrag in de tijd: Thixotropie

Een complexe vloeistof herschikt zichzelf in de loop van de tijd wanneer een externe kracht wordt verwijderd. De viscositeit moet dus niet alleen worden gemeten door de afschuifsnelheid te verhogen als de structuur wordt afgebroken, maar ook door de afschuifsnelheid te verlagen als het systeem zichzelf herstelt. Dit wordt hysterese genoemd.

Bij een snel herstel zou de grafiek van viscositeit versus afnemende afschuifsnelheid worden gesuperponeerd op de grafiek van viscositeit versus toenemende afschuifsnelheid. Als de vloeistof tijd nodig heeft om zijn structuur te herstellen, zou de "neerwaartse curve" onder de "opwaartse curve" liggen. Thixotropie wordt gedefinieerd als het vertonen van afschuifverdunning met verhoogde afschuifsnelheid en langzamer herstel met afnemende afschuifsnelheid. In niet-thixotroop materialen, de “omhoog” en “omlaag” curven overlappen en in reopectisch materialen, is de "omlaag"-curve boven de "omhoog"-curve.

Maar hoewel thixotrope vloeistoffen soms worden aangezien voor pseudoplastische vloeistoffen en rheopectische vloeistoffen soms worden aangezien voor dilaterende vloeistoffen, verschillen deze twee soorten vloeistoffen op één cruciale manier: tijdsafhankelijkheid. De verandering in viscositeit met betrekking tot spanning voor dilatante en pseudoplastische vloeistoffen is onafhankelijk van de tijd. Maar voor thixotrope vloeistoffen neemt de viscositeit af met toenemende spanning naarmate de spanning langer wordt uitgeoefend. Hetzelfde geldt voor rheopectische vloeistoffen, de viscositeit neemt toe met toenemende spanning naarmate deze spanning langer wordt uitgeoefend.

We gebruiken in het dagelijks leven veel producten die thixotroop gedrag vertonen. Thixotropie is de eigenschap die verklaart waarom producten voor persoonlijke verzorging zoals haargels en tandpasta van vloeibaar naar vast gaan wanneer ze worden geperst, maar daarna terugkeren naar hun vaste toestand om hun vorm te behouden. De reologische eigenschappen van structurele ontbinding en regeneratie in relatie tot de tijd bepalen de kwaliteit van een product.

Viscositeit als functie van afschuifsnelheid – thixotroop en niet-thixotroop gedrag (pijlen tonen toenemende of afnemende afschuifsnelheid) [1]

Viscositeit met betrekking tot stress in de tijd (thixotroop versus reopectisch gedrag) [2]

Belang van viscositeit in het dagelijks leven

Op veel verschillende gebieden kan viscositeit zelfs heel nuttig zijn, ook al lijkt het van ondergeschikt belang in het dagelijks leven. Bijvoorbeeld:

• Smering in voertuigen.Wanneer u olie in uw auto of vrachtwagen doet, moet u rekening houden met de viscositeit ervan. Het is omdat viscositeit de wrijving beïnvloedt, wat warmte beïnvloedt. Bovendien beïnvloedt de viscositeit zowel het olieverbruik als het gemak waarmee uw voertuig in warme en koude omstandigheden start. De viscositeit van sommige oliën blijft hetzelfde als ze warm en koud worden, terwijl andere dunner worden naarmate ze warmer worden, wat problemen veroorzaakt als u uw auto bedient op een hete zomerdag.
• Bij het bereiden en serveren van voedsel speelt viscositeit een belangrijke rol. Veel bakoliën worden veel stroperiger als ze worden afgekoeld, terwijl andere de viscositeit helemaal niet veranderen. Omdat vet bij verhitting stroperig is, wordt het bij koeling vast. De viscositeit van sauzen, soepen en stoofschotels is ook belangrijk in verschillende keukens. Wanneer uitgedund, wordt een dikke aardappel- en preisoep Franse vichyssoise. Honing is bijvoorbeeld behoorlijk stroperig en kan het 'mondgevoel' van bepaalde voedingsmiddelen veranderen.
• De apparatuur in de productie moet goed worden gesmeerd om soepel te kunnen werken. Pijpleidingen kunnen verstopt raken en verstopt raken door stroperige smeermiddelen. Dunne smeermiddelen bieden onvoldoende bescherming voor bewegende delen.
• Wanneer vloeistoffen intraveneus worden geïnjecteerd, kan viscositeit cruciaal zijn. Een belangrijk punt van zorg betreft de viscositeit van het bloed: te stroperig bloed kan inwendige stolsels vormen, terwijl te dun bloed niet stolt, wat gevaarlijk bloedverlies en zelfs de dood tot gevolg heeft.

Enkele typische viscositeiten