همه چیز درباره ویسکوزیته (viscosity) یا گرانروی

ویسکوزیته چیست؟

طبق تعریف دانشنامه بریتانیکا، مقاومت یک سیال در برابر تغییر شکل یا حرکت قسمت های مجاور آن را نسبت به یکدیگر، ویسکوزیته (Viscosity) می نامند. در اصل، مفهوم ویسکوزیته همان مخالفت با جریان یا سیالیت (Fluidity) بوده و هر چه سیال راحت‌تر جریان پیدا کند، گفته می شود که ویسکوزیته پایین تری دارد. به عنوان مثال، گفته می شود که عسل ویسکوزیته یا گرانروی بیشتری نسبت به آب دارد.

از آن جایی که بخشی از مایعی که مجبور به حرکت است، تا حدی بخش های مجاور خود را حمل می کند، می توان گرانروی را به عنوان اصطکاک داخلی (Internal Friction) بین مولکول ها تصور کرد. توجه داشته باشید که چنین اصطکاکی نباید با اختلاف سرعت بخش های مختلف درون یک مایع اشتباه گرفته شود. ویسکوزیته عاملی اساسی در تعیین نیروهایی است که هنگام روغن کاری و انتقال سیالات در خطوط لوله باید بر آن ها غلبه شود. بر اساس این مفهوم، جریان مایع در فرایندهایی مانند اسپری و پاشش، قالب گیری تزریقی و پوشش دهی سطح کنترل می شود.

منظور از ویسکوزیته دینامیکی چیست؟

برای بسیاری از سیالات، تنش مماسی یا برشی که باعث جریان می شود، مستقیماً متناسب با میزان کرنش برشی یا میزان تغییر شکل نهایی سیال خواهد بود. به عبارت دیگر، نسبت تنش برشی بر میزان کرنش برشی برای یک مایع معین در دمای ثابت، مقدار ثابتی دارد. این ثابت را ویسکوزیتۀ پویا یا مطلق یا دینامیک می نامند که اغلب این مفهوم با نام ویسکوزیته شناخته می شود. سیالاتی که از این رفتار پیروی می کنند، در اصطلاح سیالات نیوتونی نامیده می شوند.

شکل معمول تر این رابطه معادلۀ نیوتن نامیده می شود. این معادله بیان می کند که برش (Shear) حاصل از سیال مستقیماً با نیروی وارد شده متناسب است و با ویسکوزیتۀ آن رابطۀ عکس دارد. شباهت این تعریف به قانون دوم حرکت نیوتن (F = ma) آشکار است.

بر این اساس، واحد گرانروی نیوتن‌ثانیه بر متر مربع است که معمولاً در سیستم SI به صورت پاسکال‌ثانیه بیان می شود. اما امروزه پاسکال ‌ثانیه به ندرت در نوشتار علمی و فنی استفاده می شود و اغلب از واحد دین‌ثانیه بر سانتی‌مترمربع (dyne.s/cm²) استفاده می شود. این واحد به احترام فیزیولوژیست فرانسوی «ژان پوزِی» با نام «پویز» (Poise) عنوان می شود. ده پویز برابر با یک پاسکال‌ثانیه (Pa.s) است. بنابراین یک سانتی‌پوز  (cP) با یک میلی‌پاسکال‌ثانیه (mPa.s) برابری می کند.

گرانروی مایعات با افزایش دما به سرعت کاهش می یابد. اما گرانروی گازها با افزایش دما افزایش می یابد. بنابراین، با گرمتر شدن مایعات به راحتی جریان می یابند. در حالی که گازها به کندی جریان می یابند.

به عنوان مثال، گرانروی آب در 27 درجۀ سلسیوس و در 77 درجۀ سلسیوس به ترتیب 0.85 × 10⁻³ و  0.36 × 10⁻³ پاسکال ثانیه است. اما این مقادیر برای هوا در دماهای مشابه  1.85 × 10⁻⁵ و 2.08 × 10⁻⁵ پاسکال ثانیه است.

منظور از ویسکوزیتۀ سینماتیک یا حرکتی چیست؟

ویسکوزیتۀ حرکتی (Kinematic) همان ویسکوزیتۀ دینامیک سیال است که بر چگالی جرمی آن تقسیم می شود. چگالی جرمی نیز جرم ماده است که بر حجم آن تقسیم می شود.

واحد گرانروی حرکتی مساحت تقسیم بر زمان است. واحد متر مربع بر ثانیه معمول ترین واحد برای گرانروی حرکتی است. اما این واحد به اندازه ای بزرگ است که معمولا به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد و به جای آن از واحد (cm²/ s) استفاده می شود.

اما سیستم مهم دیگری نیز در کنار SI وجود دارد که بعضا در مقالات علمی نیز کاربرد دارد. این سیستم سانتیمتر-گرم-ثانیه (CGS) نام دارد. در انگلستان، واحد گرانروی حرکتی در CGS را استوکس (Stokes) و در آمریکا استوک (Stoke) می نامند. استوک به صورت «یک سانتی‌مترمربع بر ثانیه» تعریف می شود.

نحوه اندازه گیری گرانروی حرکتی:

ویسکوزیتۀ حرکتی، اندازه گیری جریان مقاومتی سیال (Resistive Flow) تحت تأثیر جاذبه است. این اندازه گیری اغلب با استفاده از دستگاهی به نام ویسکومتر مویرگی (Capillary Viscometer) اندازه گیری می شود.

ویسکومتر یک قوطی است که دارای یک لولۀ باریک در قسمت پایینی خود است. دو سیال با حجم مساوی در ویسکومترهای مویرگی یکسان قرار می گیرند و تحت تأثیر نیروی جاذبه اجازه جریان می یابند. از لحاظ زمانی، جریان سیال ویسکومتر در طول لوله، طول می کشد. در ادامه مقاله با این دستگاه ها بیشتر آشنا خواهیم شد.

عوامل موثر بر ویسکوزیته ماده

1) نوع ماده

ویسکوزیته ماده قبل از هر چیز تابعی از نوع ماده است. برای مثال، ویسکوزیته آب در دمای 20 درجه سانتیگراد 1.0020 میلی‌پاسکال‌ثانیه است. بیشتر مایعات معمولی دارای گرانروی به میزان 1 تا 1000 میلی‌پاسکال‌ثانیه هستند. در حالی که در گازها گرانروی بین 1 تا 10 میکروپاسکال‌ثانیه معمول است. اما ویسکوزیته سیالاتی مثل عسل، خمیرها، ژل ها و امولسیون ها بالاتر از این مقدار است. بعضی از چربی ها مانند کره یا مارگارین آنقدر ویسکوز هستند که بیشتر شبیه مواد جامد نرم هستند!

2) درجه حرارت

احتمالا شما نیز به تجربه متوجه این موضوع شده اید که گرانروی با تغییر دما تغییر می کند. عسل و کره را می توان با حرارت دادن سریع تر جاری کرد. روغن موتور و مایعات هیدرولیکی در روزهای سرد به میزان قابل توجهی ویسکوز می شوند. لذا عملکرد اتوموبیل ها و سایر ماشین آلات را در ماه های سرد سال تحت تأثیر قرار می دهند.

به طور کلی گرانروی یک مایع ساده با افزایش دما کاهش می یابد. با افزایش دما، سرعت متوسط حرکت مولکول ها در مایع افزایش می یابد. لذا مدت زمانی که آن ها در تماس با مولکول های مجاور هستند، کاهش می یابد. از این رو با افزایش دما، میانگین نیروهای بین مولکولی کمتر می شود. شکل زیر نمودار ویسکوزیته-دما را برای چند نوع شیشۀ مختلف نشان می دهد.

تاثیر درجه حرارت در گازها

مایعات با گرمتر شدن سیال تر می شوند. اما تحت حرارت قرار دادن گازها باعث می شود غلیظ تر شوند. گرانروی گازها با افزایش دما افزایش می یابد. در این حالت، ویسکوزیته تقریباً با ریشۀ دوم دما متناسب است.

این پدیده به دلیل افزایش فرکانس برخورد بین مولکولی گازها در دماهای بالاتر است. بیشتر اوقات مولکول های گاز در خلأ آزادانه حرکت می کنند. هر عاملی که تعداد دفعات تماس یک مولکول گاز با مولکول دیگر را افزایش دهد، توانایی کل مولکول ها را برای انجام حرکت هماهنگ کاهش می دهد. هرچه این مولکول ها بیشتر با یکدیگر برخورد کنند، حرکت آنها بی نظم تر می شود.

مدل های فیزیکی، تقریباً یک قرن است که وابستگی ویسکوزیته به درجه حرارت را در گازها توضیح می دهند. البته مدل های جدید عملکرد بهتری نسبت به مدل های قدیمی داشته اند. این مدل ها نشان داده اند که ویسکوزیتۀ گازها تقریباً مستقل از فشار و چگالی است. به طور کلی، فراموش نکنید که گرانروی بسیار به دما وابسته است. بنابراین حواستان باشد که هیچوقت آن را بدون بیان دما گزارش نکنید.

فشار

به طور معمول، گرانروی مستقل از فشار است. اما مایعات تحت فشار شدید اغلب افزایش گرانروی را تجربه می کنند. از آنجایی که مایعات به طور معمول قابل تراکم نیستند، افزایش فشار به طور چشمگیری روی نزدیک شدن مولکول ها به یکدیگر تاثیر ندارد.

اهمیت ویسکوزیته در روغن های موتور

بیایید یک مثال عملیاتی را بررسی کنیم که ویسکوزیته در آن نقش ایفا می کند. ویسکوزیته در روغن موتور نیز مانند سایر مایعات، در دما و فشارهای مختلف، متفاوت است. از آن جا که شرایطی که اکثر خودروها در آن کار می کنند قابل پیش بینی است، می توان رفتار روغن موتور را از قبل مشخص کرد.

در ایالات متحده، سازمانی که استانداردهای عملکرد روغن موتور را تعیین می کند، انجمن مهندسان خودرو (SAE) است. طراحان SAE یک سیستم کدگذاری دارند که رفتار روغن موتور را در شرایط دمای پایین و بالا توصیف می کند. شرایطی که دمای شروع و حین کار اتوموبیل را تعیین می کنند. در این سیستم کدگذاری، عدد اول همیشه با حرف W نشان داده می شود. این حرف از کلمۀ زمستان آماده است. W رفتار دمای پایین روغن در هنگام راه اندازی را توصیف می کند. در حالی که عدد دوم رفتار دمای بالای روغن را پس از مدتی کار کردن موتور توصیف می کند.

عدد SAE کمتر بیانگر روغن هایی است که در دمای پایین استفاده می شوند. روغن هایی که دارای عدد SAE کم هستند، سیال تر هستند. روغن های دارای SAE زیاد ویسکوزتر هستند. به عنوان مثال، روغن 10W40 هیچوقت دارای گرانروی بیش از 7000 میلی‌پاسکال‌ثانیه در یک موتور سرد نخواهد بود. حتی اگر دمای یک شب سرد زمستان به منفی 25 درجۀ سلسیوس کاهش یابد!

نحوه اندازه گیری ویسکوزیته

خصوصیات ویسکوز یک مایع یا جامد آمورف در درجۀ اول توسط نیروهای بین ذره ای موجود در سیال تعیین می شود. منظور از این نیروهای بین ذره ای، اصطکاک و جذب بین مولکولی موجود در ساختار کلان یا ماکرو است. این نیروهای واندروالسی پایه های اساسی مقاومت یک سیال در برابر تغییر شکل یا جریان است که ویسکوزیتۀ مواد را تعریف می کند.

اگر به یاد داشته باشید، در ابتدای این مقاله ویسکوزیته را به دو دسته دینامیکی و سینماتیکی تقسیم بندی کردیم. در این قسمت چهار روش اساسی اندازه گیری ویسکوزیتۀ دینامیکی و سینماتیکی نمونه های سیال را برای شما معرفی می کنیم:

اندازه گیری گرانروی با استفاده از ویسکومترهای مویرگی

اندازه گیری ویسکوزیته از طریق لولۀ مویرگی یکی از قدیمی ترین روش های تعیین گرانروی سینماتیک یک نمونه است. این روش نیاز به دانش قبلی در مورد چگالی و حجم نمونۀ مورد نظر دارد. در این روش، سیال از یک لولۀ U شکل عمودی به ابعاد شناخته شده و قطر بسیار کوچک عبور می کند. زمان لازم برای طی کردن مسیر لوله، با ویسکوزیتۀ حرکتی سیال ارتباط دارد.

اندازه گیری گرانروی به روش رئومتری چرخشی

یک ویسکومتر چرخشی گشتاور نسبتاً ضعیفی بۀ نمونه مایع اعمال می کند تا تغییر شکل مکانیکی را تشویق کند. مقدار گشتاور لازم برای ایجاد چرخش در یک صفحه افقی اندازه گیری می شود که این گشتاور متناسب با ویسکوزیتۀ نمونه است.

استفاده از رئومتر چرخشی به تحلیلگران اجازه می دهد تا در پاسخ به سطوح مختلف نیروی برشی، یک منحنی جریان کامل از مشخصات سیالیت مواد را ترسیم کنند. ویسکومترهای غیرچرخشی فقط امکان اندازه گیری تک نقطه ای را دارند و فقط پارامتر ویسکوزیتۀ برشی را ارائه می دهند.

اندازه گیری گرانروی  با استفاده از ویسکومترهای ارتعاشی

ویسکوزیته را می توان با اعمال ارتعاشات نوسانی بر روی مایع و نظارت بر اثرات میراگر (Damping Effects) اندازه گیری کرد. در ویسکومترهای ارتعاشی، با نظارت بر ورودی برق، زمان فروپاشی نوسانات یا تغییرات در فرکانس تشدید شده، گرانروی ارزیابی می شود.

اندازه گیری گرانروی با استفاده از رئومترهای میکروفلویدی

رئومتری میکروسیال، یک روش ابتکاری برای تعیین گرانروی دینامیکی مایعات در حجم کم نمونه است. در این روش، گرانروی سیال با عبور یک نمونۀ مایع از طریق یک کانال میکروفلویدی با یک جریان آرام ارزیابی می شود.

در این روش، دستگاهی به نام Fluidicam Rheo از این کانال ها برای جریان مایعات در کنار یک مادۀ مرجع استفاده می کند. ویسکوزیتۀ دینامیکی با مقایسۀ تفاوت نرخ جریان، گرانروی مادۀ مرجع و موقعیت رابط بین دو سیال در کانال میکروسیال اندازه گیری می شود.

مراجع

Scherer, George W.; Pardenek, Sandra A.; Swiatek, Rose M. (1988). “Viscoelasticity in silica gel”. Journal of Non-Crystalline Solids. 107 (1): 14. Bibcode:1988JNCS..107…14S. doi:10.1016/0022-3093(88)90086-5

Rumble, John R., ed. (2018). CRC Handbook of Chemistry and Physics (99th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-1138561632.

www.britannica.com

www.physics.info