ویسکوزیته یا گرانروی چیست و چگونه محاسبه می شود؟

ویسکوزیته چیست؟

ویسکوزیته به میزان مقاومت یا اصطکاک در برابر جریان درونی مایع یا گاز اشاره دارد. به عبارتی دیگر، ویسکوزیته یک مشخصه فیزیکی است که توصیف می‌کند که چقدر مایع یا گاز به راحتی می‌تواند جریان داشته باشد. مایعات با ویسکوزیته بالا، مانند عسل، سس، روغن و آرد، با سختی و مقاومت بیشتری در برابر جریان روبرو می‌شوند، در حالی که مایعات با ویسکوزیته پایین‌تر، مانند آب و الکل، با جریان راحت‌تری مواجه هستند. مقدار ویسکوزیته بستگی به خصوصیات مولکولی و ساختار مایع دارد. برای بسیاری از مایعات، ویسکوزیته با افزایش دما کاهش می‌یابد، در حالی که برای برخی دیگر، افزایش دما باعث افزایش ویسکوزیته می‌شود.

منظور از جریان، به حرکت مولکول‌های مایع یا گاز برای ایجاد جابجایی داخل آنها اشاره دارد. برای مثال، هنگامی که شما یک مایع را از یک شیشه به شیشه دیگر می‌ریزید، جریان درونی مایع شامل جابجایی مولکول‌های آن ایجاد می‌شود تا مایع به شیشه دیگر برسد. ویسکوزیته بالا به معنای این است که مولکول‌های مایع دارای مقاومت بیشتری در برابر جریان هستند، به عبارت دیگر، زمانی که مایع به حرکت درآید، مقاومت بیشتری برای حرکت خود دارد. این مقاومت می‌تواند به دلیل وجود ارتباطات بین مولکول‌ها، اندازه و شکل مولکول‌ها و نیروهای بین ذرات درون مایع باشد. برای درک بهتر، تصویر زیر را مشاهده کنید. منبع تصویر

ضریب ویسکوزیته، معمولا با نماد “η” نشان داده می‌شود و نشان‌دهنده‌ی مقاومت یک مایع در برابر جریان و تغییر شکل است. این ضریب معمولا با واحد پاسکال ثانیه (Pa.s) یا سانتی‌پوئیز (cP) بیان می‌شود. مقدار ویسکوزیته بستگی به ویژگی‌های مایع مانند دما، فشار و ترکیب شیمیایی آن دارد. از این پارامتر در بسیاری از صنایع برای تعیین عملکرد و کیفیت محصولات استفاده می‌شود.

به عنوان یک مثال ساده، فرض کنید که شما یک قطره عسل و یک قطره آب را روی یک سطح شیشه‌ای قرار می‌دهید. قطره عسل به دلیل ویسکوزیته بالاتر به طور کامل از سطح شیشه جدا نمی‌شود و در عوض به سطح چسبیده و به صورت کروی باقی می‌ماند، در حالی که قطره آب به دلیل ویسکوزیته پایین‌تر سریعا از سطح شیشه جدا می‌شود.

در واقع، این مثال نشان می‌دهد که چگونه ویسکوزیته می‌تواند بر جریان مواد تاثیر بگذارد. قطره عسل، به دلیل ویسکوزیته بالا، مقاومت بیشتری در برابر جریان دارد و این مقاومت باعث می‌شود قطره به شکل کروی شکل بگیرد و نتواند از سطح شیشه جدا شود.

 آیا می توان ویسکوزیته مایعات را تغییر داد؟

ویسکوزیته مایعات ممکن است تحت تأثیر عوامل مختلفی تغییر کند. برای مثال، دما، فشار و ترکیب شیمیایی مایع، می‌توانند ویسکوزیته آن را تغییر دهند اما برای تغییر ویسکوزیته مایعاتی مثل روغن صنعتی نیز می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد. یکی از روش‌هایی که می‌توان برای تغییر ویسکوزیته روغن صنعتی استفاده کرد، تغییر دمای آن است. به طور کلی، با افزایش دما، ویسکوزیته روغن کاهش می‌یابد و با کاهش دما، ویسکوزیته آن افزایش می‌یابد. همچنین، با اضافه کردن مواد شیمیایی به روغن، مانند پلیمرها، می‌توان ویسکوزیته آن را تغییر داد.

منظور ما از روغن های با ویسکوزیته بالا یا پایین عبارتند از:

روغن های صنعتی با ویسکوزیته بالا: این روغن ها عمدتا برای استفاده در شرایط با فشار و دمای بالا به کار می‌روند. مثال‌هایی از این روغن‌ها عبارتند از روغن‌های پایه معدنی، روغن‌های پایه سنتتیک، روغن‌های پایه پلی‌آلفین، روغن‌های پایه پلی‌استر و روغن‌های پایه فنولیک.

روغن های صنعتی با ویسکوزیته پایین: این روغن ها عمدتا برای استفاده در شرایط با دمای پایین و سرعت‌های بالای جریان به کار می‌روند. مثال‌هایی از این روغن‌ها عبارتند از روغن‌های پایه پلی‌اولفینی، روغن‌های پایه اِستِر، روغن‌های پایه پارافینی و روغن‌های پایه سیلیکونی.

نکته: روغن‌ هیدرولیک صنعتی جزو روغن‌های با ویسکوزیته بالا محسوب می‌شود. به دلیل اینکه برای انتقال قدرت و فشار در سیستم‌های هیدرولیکی به ویسکوزیته بالایی نیاز است. به طور معمول ویسکوزیته روغن‌های هیدرولیک در بازه 20 تا 100 سانتی‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ستوکین می‌باشد

شیوه های اندازه گیری ویسکوزیته چیست؟

شیوه‌های مختلفی برای اندازه گیری ویسکوزیته مایعات وجود دارد که بسته به نوع مایع و شرایط اندازه گیری ممکن است متفاوت باشد. در ادامه، به برخی از شیوه‌های معمول برای اندازه گیری ویسکوزیته اشاره می‌کنیم:

1. روش افقی: در این روش، مایع درون یک ظرف قرار داده شده و سپس ظرف به صورت افقی حرکت می‌کند. میزان ویسکوزیته مایع با توجه به زمانی که برای حرکت در طول افقی طی می‌کند، محاسبه می‌شود.
2.  روش عمودی: در این روش، مایع در یک ظرف با قطر دقیق و طول مشخص قرار داده شده و سپس ظرف به صورت عمودی حرکت می‌کند.میزان ویسکوزیته مایع با توجه به زمانی که برای حرکت در طول عمودی طی می‌کند، محاسبه می‌شود.
3. روش سلندر: در این روش، مایع درون یک سلندر با قطر دقیق و ارتفاع مشخص قرار داده می‌شود. یک سوزن با سری بسیار نازک و محور مرکزی مشخص، در سطح مایع قرار می‌گیرد و با اعمال نیروی مشخص، سوزن درون مایع حرکت می‌کند. میزان ویسکوزیته مایع با توجه به زمانی که برای حرکت سوزن درون سلندر طی می‌کند، محاسبه می‌شود. این شیوه‌ها تنها برخی از روش‌های مورد استفاده برای اندازه‌گیری ویسکوزیته مایعات هستند و برای اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته، باید به شرایط مخصوص هر مایع توجه شود.

روش‌های پیشرفته‌تری برای اندازه‌گیری ویسکوزیته مایعات وجود دارد. در ادمه برخی از شیوه‌های مهم اشاره می‌کنیم:

1. رئولوژی: رئولوژی علمی است که برای بررسی خواص رفتاری مواد مانند ویسکوزیته و دگرسانی استفاده می‌شود. در این روش، مایع با سرعت و نیروی مشخصی به حرکت درمی‌آید و پاسخ آن در قالب یک منحنی ارائه می‌شود. از این منحنی‌ها می‌توان برای محاسبه ویسکوزیته و دگرسانی مایع استفاده کرد.
2.  
3. رئولومتری: در این روش، یک رئولومتر با استفاده از ترکیبی از رئولوژی و الکترونیک، برای اندازه‌گیری ویسکوزیته مایعات استفاده می‌شود. این دستگاه با اعمال نیروی مشخص به مایع، حرکت سریعی در داخل دستگاه ایجاد می‌کند و سپس با توجه به میزان نیروی لازم برای ایجاد این حرکت، ویسکوزیته مایع محاسبه می‌شود. 
4. روش میکروفلوئیدیک: در این روش، مایع درون یک سیستم میکروفلوئیدیک جریان داده می‌شود و با مشاهده حرکت ذرات مایع با دوربین، ویسکوزیته مایع محاسبه می‌شود. این شیوه‌ها تنها برخی از روش‌های مورد استفاده برای اندازه‌گیری ویسکوزیته مایعات هستند و برای اندازه‌گیری دقیق ویسکوزیته، باید به شرایط مخصوص هر مایع و همچنین به منظور انتخاب روش مناسب، مشاوره از افراد متخصص و ماهر در این حوزه بسیار مهم است.

معرفی انواع ویسکوزیته

در علم مواد و رئولوژی، ویسکوزیته به چهار دسته تقسیم می‌شود که در ادامه هر یک از آنها را معرفی می کنیم اما توضیحات کامل تر از هر مدل ویسکوزیته را می توانید در مقاله مربوط به خودش را مطالعه کنید.

1.     ویسکوزیته دینامیکی یا لزجت دینامیکی (Dynamic viscosity): این نوع ویسکوزیته به میزان نیروی لازم برای حرکت یک لایه از مایع در برابر لایه‌ی دیگر از آن مایع در زمانی که سرعت داده شده است، اشاره دارد. واحد این نوع ویسکوزیته پاسکال ثانیه (Pa·s) است.
2.     ویسکوزیته سینماتیکی یا لزجت سینماتیکی (Kinematic viscosity): این نوع ویسکوزیته به نسبت بین ویسکوزیته دینامیکی و چگالی مایع، یعنی به اندازه‌ی مقاومت مایع در برابر حرکت به نسبت جرم آن، اشاره دارد. واحد این نوع ویسکوزیته متر مربع بر ثانیه (m²/s) است.
3.     ویسکوزیته پلاستیک (Plastic viscosity): این نوع ویسکوزیته به میزان مقاومت مایع در برابر جریان در زمانی که نیروی بیشتری از یک آزمایشگاه خاص برای ایجاد جریان در مایع استفاده می‌شود، اشاره دارد. این نوع ویسکوزیته به طور معمول در حالت های نیمه جامد، پسته، خمیر و اکریلیک استفاده می شود.
4.     ویسکوزیته آشکار (Apparent viscosity): این نوع ویسکوزیته به میزان مقاومت مایع در برابر جریان در زمانی که فشار خارجی یا فشار تحت شرایط مختلف به مایع اعمال می‌شود، اشاره دارد. واحد این نوع ویسکوزیته به صورت پاسکال ثانیه (Pa·s) و یا سانتی پویز (cP) می باشد.

 پارامتر های مهم و موثر در ویسکوزیته چیست؟

ویسکوزیته یک مایع توسط چندین پارامتر تعیین می‌شود که برخی از مهمترین آنها عبارتند از:

1.     دما: دما یکی از مهمترین پارامترهایی است که بر ویسکوزیته تأثیر می‌گذارد. افزایش دما، ویسکوزیته را کاهش می‌دهد و کاهش دما، ویسکوزیته را افزایش می‌دهد.
2.     فشار: فشار نیز می‌تواند بر ویسکوزیته تأثیر بگذارد. با افزایش فشار، ویسکوزیته کاهش می‌یابد.
3.     غلظت: غلظت نیز می‌تواند بر ویسکوزیته تأثیر بگذارد. با افزایش غلظت، ویسکوزیته افزایش می‌یابد.
4.     نوع مولکول‌ها: نوع مولکول‌هایی که در مایع وجود دارند نیز می‌تواند بر ویسکوزیته تأثیر بگذارد. برای مثال، مولکول‌های بلندتر دارای ویسکوزیته بیشتری هستند.
5.     شرایط آزمایش: شرایط آزمایش نیز می‌تواند بر ویسکوزیته تأثیر بگذارد. برای مثال، سرعت جریان و شکل دهی مایع در زمان اندازه گیری ویسکوزیته می‌تواند بر آن اثرگذار باشد.

جدول تبدیل واحد ویسکوزیته:

لازم به ذکر است که در برخی منابع، برای واحد ویسکوزیته از واحد poiseuille به جای poise استفاده می‌شود. واحد poiseuille نیز با واحد poise تفاوتی ندارد، با این تفاوت که به نام فردیناند پوآزیول، فیزیکدان فرانسوی، اختصاص داده شده است.