وبلاگ

گران‌روی یا ویسکوزیته (Viscosity) چیست؟

ویسکوزیته (Viscosity) چیست؟

باید بدانیم که هیچ رابطه ساده ای بین ویسکوزیته و اندازه ذرات وجود ندارد که درمورد انواع مایعات صدق کند. گران‌روی مایع توسط نیروهای بین ذرات ایجاد می شود  که به آنها مولکول نیز گفته می شود. انواع نیروها در مایعات وجود دارد. به طور مثال، آب دارای پیوندهای هیدروژنی قوی است اما جیوه دارای تعامل فلزی بین اتم ها و مولکول ها است. روغن ها و چربی ها نیز دارای نیروهای واندروالسی هستند که به طور قابل توجهی ضعیف تر هستند.

بعضی از نمونه های مختلف نیروها و ویسکوزیته در  (MPA) در دمای 25 درجه سانتیگراد:

  • پیوند هیدروژنی در آب 0.890
  • پیوند جیوه 1.526
  • نیروی واندروالسی در تتراکلورومتان0.908
  • نیروهای قطبی تتراکلروسیلان (SICL4) 99.4

در مورد نیروهای واندروالسی با افزایش اندازه ذرات، پیوند ها هم تقویت می شوند. از C1 (متانول) به C10 (دکانول) در هیدروکربن ها یک افزایش تقریباً خطی در ویسکوزیته مشاهد می شود. افزایش طول زنجیره هیدروکربن های خطی دلیل این امر است. مولکول های طویل در روغن نباتی باعث افزایش قدرت نیروهای واندروالسی می شوند به همین دلیل گران‌روی بیشتری دارند. در مورد پیوندهای هیدروژنی، تعداد پیوندهایی که می توانند مولکول تشکیل دهند، تأثیر عمده ای بر گران‌روی می گذارند.

سه مایع ساده که دارای اندازه های تقریباً مشابه از یک دو یا سه پیوند هیدروژنی تشکیل شده اند، درنظر بگیرید.

ویسکوزیته در میلی پاسکال (mPa) در دمای 25 درجه سانتیگراد به این صورت است:

  • پروپانول 2
  • پروپاندیول 40
  • پروپانتریول (گلیسرول) 934

دلیل این افزایش قابل توجه این است که پیوندهای هیدروژنی بیشتر در هر مولکول به شبکه های 3 بعدی قوی بین مولکول های مایعات کمک می کنند، در حالی که پیوندهای هیدروژنی تک به صورت زنجیره های خطی یا در بهترین حالت حلقه ایجاد می شوند.

واحد ویسکوزیته چیست؟

ویسکوزیته پویا (مطلق)

هنگامی که مقادیر اندازه گیری شده بر اساس واحدهای اصلی فیزیکی نیرو [N] ، طول [متر] و زمان [ثانیه] باشد:

ویسکوزیته پویا = [N / m2] • [s] = نیرو / طول 2 • زمان = [Pa] • [s]

واحد اصلی اندازه گیری Viscosity، پواز یا پویز (poise) است. ماده ای که برای تولید نرخ برشی یک ثانیه متقابل به تنش برشی 1 داین در سانتی متر مربع نیاز دارد ، دارای ویسکوزیته یک poise یا 100 centipoise است.

می توان اندازه گیری های گران‌روی را به شکل پاسکال بر ثانیه یا، میلی پاسکال بر ثانیه، نام برد که واحدهایی سیستم بین المللی هستند و گاهی اوقات در تعیین متریک استفاده میشوند.

یک پاسکال برثانیه برابر است با ده پواز یا پویز (poise)، یک میلی پاسکال بر  ثانیه برابر است با یک Centipoise.

در سیستم SI واحدهای ویسکوزیته دینامیکی N s / m2 ، Pa.s یا kg / ms هستند که در آن:

1 Pa.s = 1N s / m2 = 1 kg / ms

ویسکوزیته پویا معمولا در سیستم سانتیگراد-گرم-ثانیه(CGS)به صورت  cm.s،cm2 بیان می شود.

که در آن 1 poise برابر است با:

1 poise = dyne.s/cm2 = g/cm.s = 1/10Pa.s = 1/10N.s/m2

برای کاربردهای عملی، این مقدار بیش از حد بزرگ است و به طور معمول  به 100 تقسیم میشود تا حاصل به صورت Centipoise  بیان شود.

1p = 100cP

1cP = 0.01poise = 0.01g/cm.s=0.001Pa.s = 0.001N.s/m2

آب در 68.4 درجه فارنهایت (20.2 درجه سانتیگراد) دارای ویسکوزیته مطلق 1cp است.

ویسکوزیته جنبشی

براساس سیستم SI واحد متر مربع بر ثانیه است که معمولاً از استوک (St) استفاده می شود.

1St = 10-4m2/s

از آنجا که استوک یک واحد بزرگ غیر کاربردی است، معمولاً بر 100 تقسیم می شود تا از واحدی به نام Centistokes (cSt) استفاده شود.

1St = 100cSt

1cSt = 10-6m2/s

از آنجا که چگالی آب در 4/68 درجه فارنهایت (2/20 درجه سانتیگراد) تقریباً یک (1) است، ویسکوزیته حرکتی آب در 4/68 درجه فارنهایت  یک cSt است.

ثانیه های جهانی Saybolt (یا SUS ، SSU)

واحد دیگر برای اندازه گیری گران‌روی saybolt universal seconds است. (SUS) برای 60 میلی لیتر از یک فرآورده نفتی مورد نیاز است تا از طریق روزنه کالیبره شده یک ویسکومتر، تحت دمای دقیق کنترل شده و طبق روش آزمایش ASTM D 88، جریان یابد.

روش گرانروی حرکتی تا حد زیادی جایگزین این روش شده است.

ثانیه های جهانی Saybolt را نیز شماره SSU (Seconds Saybolt Universal) یا SSF (Saybolt Seconds Furol) مینامند.

ویسکوزیته جنبشی در مقابل پویا

ویسکوزیته سینماتیک(جنبشی) در مقابل ویسکوزیته پویا یا مطلق به صورت زیر بیان می شود.

ν = 4.63 µ/SG

  • ν = ویسکوزیته حرکتی (SSU)
  • μ = ویسکوزیته پویا یا مطلق (cP)
  • SG = چگالی

مواد دارای بالاترین ویسکوزیته

گران‌روی اندازه گیری مقاومت مایع به جریان است. مایع رقیق، با گران‌روی کم به راحتی جریان می یابد. مایعات غلیظ با گران‌روی بالاتر، سختتر جریان می یابند یا نیاز به ایجاد جریان دارند. همه مواد جامد در نهایت جریان می یابند، بنابراین باید جامدات را مایعاتی با یک گران‌روی بسیار زیاد درنظر گرفت. تعیین ماده ای  که دارای بالاترین گران‌روی در جهان است، براساس نظر خود در مورد خط تقسیم، در صورت وجود، بین مایعات و مواد جامد است. خط تقسیم حدود 1012 PA است. در صورت پذیرفتن جامدات به عنوان نوعی از مایع، پس الماس بالاترین ویسکوزیته را داراست.

چرا باید ویسکوزیته سنجیده شود؟

جمع آوری اطلاعات مربوط به گران‌روی یک ماده، به تولیدکنندگان کمک می کند، بتوانند نحوه رفتار ماده در دنیای واقعی را پیش بینی کنند. به عنوان مثال: اگر خمیر دندان گرانروی درستی نداشته باشد، یا برای استفاده باید بیش از حد آن را فشار داد یا اینکه هر بار مقدار زیادی از خمیردندان از تیوپ خارج می شود. دانستن ویسکوزیته یک ماده همچنین بر چگونگی طراحی و تولید آن تاثیر می گذارد.

ویسکوزیته مقاومت یک ماده در برابر حرکت تحت یک نیروی اعمال شده است.

فرمول اندازه گیری گران‌روی نسبتاً ساده است:

ویسکوزیته= تنش برشی / میزان برش

  • نتیجه به طور معمول در centipoise (cP) ارائه می شود، که معادل 1 mPa s (میلی پاسکال ثانیه) است.
  • تنش برشی : نیرویی است در واحد سطح برای جابجایی یک لایه مایع نسبت به لایه دیگر.
  • نرخ برش : اندازه گیری تغییر در سرعت حرکت لایه های میانی و برخوردشان نسبت به یکدیگر.

مایعات نیوتنی در مقابل مایعات غیر نیوتنی

آیزاک نیوتن، کاشف این فرمول، تصور می کرد که در یک دما و تنش برشی، گران‌روی یک مایع بدون توجه به تغییر در سرعت برش ثابت می ماند.

او تا حدودی درست تصور می کرد. مایعاتی مانند آب و عسل این رفتار را دارند. به همین دلیل، به آنها مایعات نیوتنی گفته می شود. اگرچه بیشتر مایعات دارای گران‌روی هستند، که نسبت به سرعت برشی در حال نوسانند؛ به آنها مایعات غیرنیوتنی گفته می شود.

پنج نوع مایعات غیرنیوتنی عبارتند از:

تیکسوتروپیک، رئئوپکتیک، پلاستیک کاذب، متسع و پلاستیک. برای اندازه گیری هر یک از این مایعات، ملاحظات مختلفی باید رعایت شود.

تست ویسکوزیته برای چه محصولاتی است؟

موارد زیر نمونه هایی هستند که تست ویسکوزیته برای آنها انجام می شود.

Viscosity

شبیه سازی دو مایع با ویسکوزیته متفاوت

غذا

اندازه گیری Viscosity در صنایع غذایی به خاطر افزایش بازده تولید و اثربخشی در هزینه است. سرعت لازم برای پمپ شدن، مدت زمان خشک شدن و زمان توزیع مایع در بسته بندی محصول تحت تأثیر ویسکوزیته قرار دارد .تولید باید متناسب با گران‌روی محصول باشد، تا بدانیم لوله ها زاویه متناسب برای جریان مایع را دارند یا اینکه، فشار لازم برای پر شدن محصول توسط توزیع کننده وارد می شود (بدون اینکه محصول بیش از حد پر شود) یا خیر.

گران‌روی از ویژگی های بافت غذا نیز به شمار می رود. گران‌روی محصول باید در حین تولید اندازه گیری و کنترل شود تا مطمئن شویم هر قسمت از محصول طبق اصول مراحل تولید را طی می کند.

چسب

برای انتخاب Viscosity مناسب برای چسب، باید در نظر  داشته باشیم که روی سطوح مورد استفاده چه عملکردی داشته باشد. چسب های با ویسکوزیته پایین به راحتی جاری می شوند، پس اگر میخواهید چسب دقیقاً همان جایی که قرار داده اید بماند – و جا به جا نشود – از یک چسب با گران‌روی بالا استفاده کنید.

صنایع دیگر

مواد نفتی: اندازه گیری ویسکوزیته اثر روغن روانکاری را مشخص می کند و برای تشخیص مواد مورداستفاده در خطوط لوله ها استفاده می شود.

بتن: گران‌روی مقدار پمپاژ و نوع مخلوط بتنی را مشخص می کند.

لوازم آرایشی: هنگام طراحی محصولات آرایشی، ویسکوزیته باید درنظر گرفته شود.

منبع: cscscientific و azom

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *