ویسکوزیته دینامیکی چیست و چگونه آن را اندازه‌گیری کنیم؟
در نگاه اول، ویسکوزیته مفهومی بسیار ساده‌ای به نظر می‌رسد که به توصیف میزان ضخامت محصول یا میزان جریان آن کمک می‌کند. در واقع، اصطلاحات مختلفی در این مفهوم از ویسکوزیته وجود دارد. این اصطلاحات را می‌توان از نحوه اندازه‌گیری ویسکوزیته به دست آورد. ویسکوزیته یک مقاومت سیال در برابر جریان است. این مفهوم پیچیده انواع مختلفی مانند، دینامیکی، سینماتیکی، شفاف ثابت، نسبی و کششی دارد. برای اینکه تفاوت آنها را درک کرده و مفهوم دقیق ویسکوزیته دینامیکی را درک کنید، بهتر است ما را در این مقاله همراهی کنید. همچنین اگر تمایل دارید تا به مجموعه کاملی از آموزش های مربوط به فیزیک دسترسی داشته باشید پیشنهاد میکنیم با مراجعه به لینک زیر مجموعه آموزش فیزیک فرادرس را دریافت کنید:
در اکثر موارد، زمانی که از ویسکوزیته صحبت می‌شود، به دو مورد سینماتیکی و دینامیکی اشاره می‌شود، اگر بخواهیم این دو مفهوم را در یک جمله بیان کنیم، به موارد زیر می‌رسیم:
یک راه، اندازه‌گیری مقاومت سیال در برابر جریان در هنگام اعمال نیروی خارجی (دینامیکی).
راه دیگر، اندازه‌گیری جریان مقاومتی سیال تحت وزن گرانش می‌باشد. به عبارت دیگر، معیار مقاومت ذاتی یک سیال در برابر جریان است، زمانی که هیچ نیروی خارجی، به جز گرانش، بر آن اثر نمی‌گذارد. (سینماتیک)
ویسکوزیته دینامیکی چیست؟
مقاومت در برابر حرکتی که اکثر سیالات ایجاد می‌کنند “ویسکوزیته” نامیده می‌شود. درواقع زمانی که بین لایه‌های سیال حرکت نسبی وجود دارد، ویسکوزیته ایجاد می‌شود. این دقیقاً مقاومت در برابر جریان ناشی از اصطکاک داخلی، بین لایه‌های سیال را هنگام عبور از کنار هم در طول جریان سیال اندازه‌گیری می‌کند. ویسکوزیته همچنین ممکن است به عنوان معیاری از ضخامت یا مانع یک سیال برای عبور اقلام از آن تعریف شود.
به دلیل فعل و انفعالات بین مولکولی قوی، یک سیال با ویسکوزیته بالا با ایجاد اصطکاک داخلی زیاد، در برابر حرکت مقاومت می‌کند که مانع از حرکت لایه ها از کنار هم می‌شود. از طرف دیگر، یک سیال با ویسکوزیته کم به راحتی جریان یافته و حرکت می‌کند؛ زیرا ترکیب مولکولی آن باعث ایجاد اصطکاک بسیار کمی در هنگام حرکت می‌شود. گازها نیز ویسکوزیته دارند، اگرچه در زندگی روزمره کمتر قابل توجه است.
برای تخمین ویسکوزیته گاز از چه فرمول‌هایی استفاده می‌شود؟
ویسکوزیته یک سیال، اندازه گیری مقاومت آن در برابر جریان است. نسبت تنش برشی به گرادیان سرعت در یک سیال، به عنوان فرمول محاسبه ویسکوزیته دینامیکی استفاده می‌شود. ویسکوزیته مایعات با افزایش دما به سرعت کاهش می‌یابد، در صورتی‌که ویسکوزیته گازها برعکس می‌باشد.
انواع ویسکوزیته
برای تعیین ویسکوزیته‌ای که باید برای نمونه خود اندازه‌گیری کنید، مهم است که ابتدا انواع مختلف ویسکوزیته را بشناسید.
ویسکوزیته دینامیک (مطلق): اندازه‌گیری مقاومت داخلی سیال در برابر جریان، هنگام اعمال نیرو
ویسکوزیته سینماتیک: به نسبت گرانروی دینامیکی به چگالی یا اندازه‌گیری ویسکوزیته سیال در حال حرکت اشاره دارد
ویسکوزیته نسبی: نسبت ویسکوزیته محلول به ویسکوزیته حلال مورد استفاده
ویسکوزیته برشی ثابت (ظاهری): به رابطه بین ویسکوزیته و نرخ برش اشاره دارد، به طور خاص تنش برشی اعمال شده به یک سیال تقسیم بر نرخ برش
ویسکوزیته کششی: مقاومت یک سیال در برابر جریان کششی (جریان از طریق میدانی که شامل تغییر در سطح مقطع است)
بررسی ویسکوزیته دینامیک
ویسکوزیته که به نام‌های لزجت یا گرانروی نیز شناخته می‌شود، همانطور که گفته شد، مقاومت سیال در برابر جریان را توصیف می‌نماید. نوع دینامیکی این کمیت به شما کمک می‌کند تا تعامل بین مولکول‌ها را بر حسب تنش مکانیکی تفسیر نمایید. از آنجایی که گرانروی دینامیکی به مقاومت در برابر جریان اشاره دارد، در حالی که ویسکوزیته سینماتیکی این مقاومت را به چگالی مرتبط می‌کند، دو سیال با گرانروی دینامیکی یکسان، بسته به چگالی خود می‌توانند ویسکوزیته سینماتیکی متفاوتی داشته باشند و بالعکس. گرانروی دینامیکی هنگام کار برای تعیین تأثیر تغییرات فرمولاسیون در رابطه با برهمکنش مولکولی در هنگام فرمولاسیون بیوداروها، قابل استفاده است. اما ویسکوزیته سینماتیکی استانداردی در صنایع نفت می‌باشد.
ویسکوزیته سیال، یک ویژگی مهم برای درک رفتار آن می‌باشد. این ویسکوزیته اندازه‌گیری مقاومت سیال در برابر تغییر شکل، تحت تنش کششی یا برشی است. همانطور که می‌دانید، اصطکاک بین مولکولی زمانی رخ می‌دهد که لایه‌های سیال روی یکدیگر سر می‌خورد. در این حالت می‌تواند باعث ایجاد تنش برشی در سیال شود.
ویسکوزیته دینامیکی نیروی مورد نیاز یک سیال برای غلبه بر اصطکاک مولکولی داخلی است تا سیال بتواند جریان یابد. بنابراین این ویسکوزیته را می‌توان به صورت نیروی مماسی در واحد سطح مورد نیاز برای حرکت سیال در یک صفحه افقی نسبت به صفحه دیگر، با سرعت واحد بیان کرد؛ در حالی که مولکول‌های سیال فاصله واحدی را از هم حفظ می‌کنند.
اندازه‌گیری گرانروی دینامیکی
همانطور که می‌دانید ویسکومترهای مختلفی وجود دارد که برای کارهای گوناگونی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر رایج‌ترین آنها را مرور میکنیم:
ویسکومترهای سقوطی (پیستون): ویسکومترهای پیستونی از نیروی ایجاد شده توسط پیستون در حال سقوط برای اندازه‌گیری ویسکوزیته استفاده می‌کنند. این دستگاه برای اندازه‌گیری گرانروی دینامیکی به کار می‌رود، زیرا تنش به سیال اعمال می‌شود.
ویسکومترهای ارتعاشی: ویسکومترهای ارتعاشی مقاومت سیال در برابر ارتعاش را اندازه‌گیری می‌کنند. (گرانروی دینامیکی)
ویسکومترهای اوریفیس: ویسکومترهای اوریفیس شامل انواع مختلف ویسکومتر فنجانی هستند. همانطور که آنها با استفاده از گرانش کار می‌کنند، ویسکوزیته اندازه‌گیری شده ویسکوزیته سینماتیکی است.
ویسکومترهای سقوطی: این دستگاه نیروی مورد نیاز برای سقوط یک توپ از درون یک سیال را اندازه‌گیری می‌کند. توپ به سیال فشار وارد کرده و گرانروی دینامیکی را اندازه‌گیری می‌کند. ویسکومتر توپ در حال سقوط که در سال ۱۹۳۲ توسط فریتز هوپلر ثبت شد، در واقع اولین نوع ویسکومتر برای اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیک بود.
ویسکومترهای مویرگی: ویسکومترهای مویرگی از جاذبه برای اندازه‌گیری مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک نمونه سیال، دور یک لوله بچرخد، استفاده می کند. (به همین دلیل این دستگاه نیز برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی به کار می‌رود)
ویسکومترهای چرخشی: یکی از محبوب‌ترین ابزارهایی هستند که برای اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی استفاده می‌شوند. این ابزارها یک پروب را در نمونه مایع می‌چرخانند. ویسکوزیته با اندازه‌گیری نیرو – یا گشتاور – مورد نیاز برای چرخاندن پروب تعیین می‌شود.
ویسکومتر چرخشی به ویژه در اندازه‌گیری مایعات غیر نیوتنی (این سیالات از قانون نیوتن پیروی نمی‌کنند؛ به این صورت که تحت تاثیر تنش و نیرو، تغییراتی در ویسکوزیته‌شان ایجاد می‌شود. در واقع رفتار متفاوتی را نسبت به مایعات نیوتونی دارند. از جمله این سیالات می‌توان به رنگ، خامه، خون، ماست و… اشاره کرد. ) مفید است. مایعات غیر نیوتنی وقتی در شرایط مختلف قرار می‌گیرند، ویسکوزیته را تغییر می‌دهند. به عنوان مثال، برخی از این مایعات با افزایش نیروی اعمالی، ویسکوزیته را افزایش داده، در حالی که سایر مایعات غیر نیوتنی با افزایش نیروی اعمالی، ویسکوزیته را کاهش می‌دهند. ویسکومتر چرخشی می تواند سرعت چرخش پروب را هنگام حرکت در مایع تنظیم کند. ویسکومتر تغییر در ویسکوزیته نمونه را با تغییر سرعت که گاهی اوقات نرخ برش نامیده می‌شود، تشخیص می‌دهد.
ضریب ویسکوزیته
در این فرمول:
η=(F⋅dx)/(A⋅dv)
- η ضریب ویسکوزیته
- dv/dx گرادیان سرعت بین دو لایه مایع
- F نیروی ویسکوزیته
- A مساحت سطح
فرمول گرانروی دینامیکی
فرمول ویسکوزیته دینامیک برای سیال، مقاومت داخلی آن را در برابر جریان، به دلیل نیروی برشی مشخص، تعیین می‌کند. این یک نوع نیروی مماسی است که هنگام تماس دو صفحه افقی ایجاد می‌شود. در طول تجزیه و تحلیل رفتار مایع و حرکت سیال در نزدیکی مرزهای جامد، ویسکوزیته یک ویژگی اساسی سیال به حساب می‌آید.
در نتیجه، گرانروی دینامیکی نیروی مورد نیاز یک سیال برای غلبه بر اصطکاک مولکولی داخلی و اجازه جریان پیدا کردن به آن است. بنابراین، گرانروی دینامیکی ممکن است به عنوان نیروی مماسی در واحد سطح تعریف شود که برای حرکت سیال در یک صفحه افقی نسبت به صفحه دیگر با سرعتی واحد بوده، در حالی که مولکول‌های سیال در فاصله واحدی از هم قرار دارند.
از آنجایی که ویسکوزیته دینامیکی نیروی مماسی مورد نیاز برای حرکت یک صفحه افقی سیال نسبت به دیگری است. در شکل معادله می‌توانیم آن را به صورت زیر بنویسیم:
η=T/Υ
ویسکوزیته را در حالت کلی با واحد پاسکال ثانیه اندازه‌گیری میکنیم.
زمان استفاده از اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیک
گرانروی دینامیکی را زمانی آزمایش می‌کنید که می‌خواهید مقاومت داخلی یک سیال یا نیروی مورد نیاز برای حرکت یک صفحه مایع بر روی صفحه دیگر را بدانید. اندازه‌گیری این ویسکوزیته برای مایعاتی که ویژگی‌های ظاهری خود را با اعمال نیرو یا فشار تغییر می‌دهند، بسیار مفید است. این مایعات به سیالات غیر نیوتنی معروف هستند. سیالات غیر نیوتنی نسبت به تغییرات مقدار نیروی وارد شده بر آنها حساس می‌باشند و حتی در مواقعی که نیروی ثابتی در یک دوره زمانی به آنها وارد شده باشد، می‌توانند ویسکوزیته خود را به طور دائم تغییر دهند.
مثالی از اندازه‌گیری گرانروی دینامیکی
نمونه‌ای از اهمیت اندازه‌گیری لزجت دینامیکی نشان دادن ویژگی‌های جریان مناسب سس کچاپ است. این محصول در حین جاری شدن باید ویسکوزیته کمتری داشته باشد تا از بطری خارج شود، اما هنگام نشستن روی همبرگر باید ضخیم باشد (یا تمایلی به حرکت نداشته باشد). آزمایش ویسکوزیته سس گوجه فرنگی در سرعت‌های مختلف (معادل سطوح مختلف نیرو) به کارخانه‌های تولید این مواد، اطمینان می‌دهد که سس گوجه فرنگی همان رفتاری را که انتظار می‌رود، دارد.
کاربرد دیگر در طراحی سیستم‌های پمپاژ است. از آنجایی که ویسکوزیته مایعات غیر نیوتنی با سرعت حرکت تغییر می‌کند، فشار و سرعت پمپ، تأثیر جدی بر مشخصات پمپ‌ها، فشار و اندازه لوله‌کشی مناسب دارد. آزمایش محصول در سرعت‌های مختلف به ارائه دستورالعمل‌هایی برای طراحی سیستم پمپاژ کمک می‌کند.
کدام پارامتر برای انجام یک اندازه گیری درست ویسکوزیته دینامیکی مهم است؟
از آنجایی که ویسکوزیته یک مقدار فیزیکی ثابت برای اندازه گیری نیست، بنابراین دانستن پارامترهای مختلفی که می‌تواند بر این مقدار در طول اندازه‌گیری کیفیت تأثیر بگذارد، مهم است. مهمترین عواملی که لازم است برای شناخت یا کنترل بدانید، در زیر آمده است:
دما: زیرا با توجه به فرمول شیمیایی نمونه، دما می‌تواند بر مقدار ویسکوزیته تأثیر بگذارد. حتی افزایش دما مقادیر ویسکوزیته کمتری را به همراه خواهد داشت، توصیه می‌شود ویسکوزیته نمونه ها را با هم مقایسه کنید یا مطابق با مقادیر استاندارد دما، شایط آزمایشگاه را تنظیم کنید.
سرعت یا نرخ برش: مهمترین پارامتر اصلی بوده که بر ویسکوزیته محصولات فرموله شده که سیالات غیر نیوتنی هستند، تأثیر می گذارد.
زمان: سومین متغیری که برای چندین نوع محصول کنترل می‌شود، زیرا ویسکوزیته، زمانی که برش طولانی‌تر باشد، تمایل به کاهش دارد. این اتفاق نادر است، اما می‌تواند، به شدت فرآیند را تحت تاثیر قرار دهد و همچنین دقت کنترل ویسکوزیته را دچار مشکل کند.
سوالات متداول در مورد ویسکوزیته دینامیکی
رابطه بین ویسکوزیته و دما چیست؟
ویسکوزیته اکثر سیالات با افزایش دمای آن کاهش می‌یابد و بالعکس. زیرا با گرم شدن مایع، نیروی جاذبه بین مولکول‌ها، یعنی نیروهای چسبنده، کاهش می‌یابد. این اصل برای درک تفاوت‌های بین اندازه‌گیری‌های ویسکوزیته آزمایشگاهی و اندازه‌گیری‌های ویسکوزیته فرآیند زمانی که در دماهای مختلف انجام می‌شوند، بسیار مهم است.
VI به چه چیزی گفته می‌شود؟
VI مخفف Viscosity Index بوده که اساساً اندازه‌گیری میزان تغییر ویسکوزیته روغن روان کننده با دما است. ویسکوزیته روغن روانکاری با عدد VI بالا، کمتر تحت تاثیر تغییرات دما قرار می‌گیرد، در حالی که ویسکوزیته روغن روانکاری با عدد VI پایین تا حد زیادی تحت تاثیر تغییرات دما است. شاخص ویسکوزیته (VI) با اندازه‌گیری ویسکوزیته روغن در دو دمای مختلف (۴۰ درجه سانتی‌گراد و ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد) محاسبه می‌شود.
جریان ویسکوز چیست؟
سیال ویسکوز به عنوان سیالی با مقاومت جریان بالا تعریف می‌شود. درجه مقاومت بین لایه‌های سیال با ویسکوزیته (که یک عامل سیال است) اندازه‌گیری می‌شود.
رابطه بین ویسکوزیته دینامیکی و سینماتیکی؟
رابطه این دو حالت به صورت کامل در طول مقاله توضیح داده شده است. بنابراین رابطه زیر بین این دو کمیت برقرار است.
V=η⁄ρ
ویسکوزیته دینامیک: η
ویسکوزیته سینماتیکی: V
چگالی: ρ
برای اندازه‌گیری ویسکوزیته کدام دستگاه مناسب است؟
بسیاری از ویسکومترها توسعه یافته و برای کنترل اندازه‌گیری ویسکوزیته استفاده می‌شوند. اگر امکان انتخاب وجود دارد، باید چند نکته را بدانید تا بهترین مورد را متناسب با نمونه یا نیاز خود بیابید:
- ویسکومترهای لوله های سینماتیک شیشه‌ای برای به دست آوردن ویسکوزیته سینماتیکی بسیار دقیق هستند.
- فنجان‌های جریان استاندارد، با حجم مشخص و قطر سوراخ کالیبره شده، بنابراین استفاده از آن آسان است.
- ویسکومتر چرخشی، محبوب‌ترین سیستم برای اندازه‌گیری گرانروی دینامیکی هستند.
- ویسکومتر چرخشی با هندسه های تعیین شده با نرخ برش برای محصولات غیر نیوتنی در همه حوزه‌های فعالیت توصیه می‌شود.
کلام آخر در مورد ویسکوزیته دینامیکی
همانطور که متوجه شدیم، ویسکوزیته دینامیکی روشی برای اندازه‌گیری مقاومت سیال، هنگام اعمال نیروی خارجی در برابر جریان است. شما می‌توانید برای اطلاعات بیشتر در مورد پارامترهای موثر در ویسکوزیته و همچنین روش‌های اندازه‌گیری و محاسباتی، مجموعه آموزش مکانیک سیالات فرادرس را دریافت کنید؛ برای دریافت این آموزش به لینک زیر مراجعه کنید:
