A | B | C | D | E | F | G | H | CH | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
A viszkozitás, más elnevezéssel a belső súrlódás egy gáz vagy folyadék belső ellenállásának mértéke a csúsztató feszültséggel 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.[1]
Newton elmélete
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 csúsztató feszültség τ, amelynek a segítségével a törvény az alábbi alakban is felírható:
ahol
- , a sebességgradiens, más elnevezéssel nyírási sebesség.
Más megfogalmazásban a Newton-féle viszkozitási törvény kimondja, hogy az egyes rétegek közötti csúsztató feszültség egyenesen arányos a sebességgradienssel. Több folyadék, mint például a víz, és a legtöbb gáz kielégíti Newton feltételét, ezeket newtoni folyadékoknak nevezik. A nem-newtoni folyadékok esetén ennél összetettebb összefüggés áll fenn a csúsztató feszültség és a sebességgradiens között.
A dinamikai viszkozitásból kiindulva definiáltak még számos egyéb viszkozitást is. Legismertebb és a kenéstechnikában legáltalánosabban használt 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
A Hagen-Poisseuille-törvény a körkeresztmetszetű 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 rúgón 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
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.
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. Ezt 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
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 | |
tejszín | 20 | 10 × 10−3 |
vér | 37 | |
kőolaj | 20 | 0,65 × 10−3 |
üveg | 20 | 1040 |
Hőmérsékletfüggése
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 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.
Jegyzetekszerkesztés
- ↑ Fülöp József: Rövid kémiai értelmező és etimológiai szótár. Celldömölk: Pauz–Westermann Könyvkiadó Kft. 1998. 149. o. ISBN 963 8334 96 7
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.
Analóg multiméterek túlterhelés elleni védelme
Egyenáram
Egyenáram mérése
Egyenirányítós lengőtekercses műszer
Elektromágnes (fizika)
Elektromos feszültség
Elektromos térerősség
Fáziseltolódás
Fázismutató
Fajlagos ellenállás
Feszültséggenerátor
Feszültségváltó
Forgó mágneses tér
Háromfázisú hálózat
Hőelektromosság
Hatásos ellenállás
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.