Viskozitāte

Vikipēdijas lapa
Pārlēkt uz: navigācija, meklēt
Viskozitātes attēlojums. Apakšējam (violetajam) šķidrumam ir lielāka viskozitāte, nekā augšējam.

Viskozitāte jeb stigrība, arī staignums un stīgrums[1], ir iekšējā berze (raksturo to, cik attiecīgais šķidrums ir "biezs"). Viskozitāte piemīt gāzēm un šķidrumiem. Šķidrumos un gāzēs, ja to slāņi savstarpēji pārvietojas, starp slāņiem rodas iekšēji pretestības spēki, kas bremzē to kustību. Gāzu viskozitāte, salīdzinot ar šķidrumu viskozitāti, ir ļoti maza.

Ņūtona teorija[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Saskaņā ar Ņūtona teoriju, iekšējās berzes spēks, kas rodas, pārvietojoties vienam šķidruma slānim attiecībā pret otru, ir tieši proporcionāls pārvietošanās ātrumam un saskarē esošo slāņu virsmai. To var aprakstīt ar vienādojumu:

 T=m F \cdot \frac{du}{dy},

kur:

  • T - iekšējās berzes spēks;
  • m - proporcionalitātes koeficients, kas atkarīgs no šķidruma īpašībām, temperatūras un spiediena (atkarība no spiediena ir neliela). Šo sauc par dinamiskās viskozitātes koeficientu vai dinamisko viskozitāti;
  • F - slāņu saskares virsmas laukums;
  • du/dy - ātruma gradients, kas perpendikulārs abām berzes virsmām. To sauc arī par bīdes ātrumu un dažreiz apzīmē ar g.

Iekšējās berzes spēka (T) dalījumu ar slāņu saskares virsmu (F), sauc par iekšējās berzes spriegumu vai bīdes spriegumu un apzīmē ar \tau. Iepriekšējo vienādojumu tad var uzrakstīt:

tau=m·(du/dy),

vai

m=tau/(du/dy)

Ņūtona šķidrumi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Šķidrumus, kuriem m nav atkarīgs no bīdes ātruma (du/dy) sauc par Ņūtona šķidrumiem. Tādi ir ūdens, lielākā daļa šķīdinātāju un eļļu. Šķidrumi, kuriem m ir atkarīgs no bīdes ātruma, ir neņūtona šķidrumi. Tādas ir krāsas, polimēru šķīdumi un kausējumi (lai arī ne visi).

SI sistēmā dinamisko viskozitāti mēra Pa·s (paskālsekundēs). 1 Pa·s ir tādas vides viskozitāte, starp kuras slāņiem, kas atrodas 1 m attālumā viens no otra un savstarpēji kustas ar relatīvo ātrumu 1 m/s, vides pretestības pārvarēšanai ir nepieciešams 1 N liels spēks. 1 Pa·s = 1 (N·s)/m2. CGS sistēmā dinamisko viskozitāti mēra Puazos (P), vai biežāk - centipuazos (cP), tāpēc, ka ūdenim 20 °C temperatūrā viskozitāte ir 1,002 cP (kas ir ļoti tuvu 1). 1 p = 100 cP = 1 g/(cm*s) = 0,1 Pa·s. 1cP = 1mPa·s.

Daudzos gadījumos lieto arī jēdzienu par kinemātisko viskozitāti, tas ir dinamiskās viskozitātes dalījums ar vielas blīvumu. SI sistēmā kinemātisko viskozitāti mēra m2/s. CGS sistēmā kinemātisko viskozitāti mēra Stoksos (S) un bieži vien izsaka centistoksos (cS). 1 S = 100 cS = 1 cm2/s = 0,0001 m2/s. Kinemātiskā viskozitāte raksturo to, cik daudz enerģijas vajag, lai šo vielu uzsūknētu uz augšu.

Parasti ar jēdzienu viskozitāte saprot dinamisko viskozitāti.

Palielinot temperatūru, gāzēm lielākoties viskozitāte palielinās, bet šķidrumiem viskozitāte samazinās. Viskozitāte parasti nav atkarīga no spiediena (izņemot ļoti lielus spiedienus).

Noteikšana[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Ostvalda viskozimetrs, ierīce, kuru izmanto šķidruma viskozitātes noteikšanai, ja zināma kāda cita — etalonšķīduma — viskozitātes koeficients.

Šķidrumiem dinamisko viskozitāti mēra ar viskozimetriem. Plašāk lietotajiem viskozimetriem ir 3 darbības principi:

  • Mēra noteikta tilpuma iztecēšanas laiku caur noteikta izmēra caurumu (vai cauruli), vai arī mēra kermeņa grimšanas ātrumu mērāmajā šķidrumā. Šos parasti nepieciešams kalibrēt, izmantojot šķidrumu ar zināmu viskozitāti.
  • Šķidrumu ievieto starp divām virsmām, no kurām viena rotē. Parasti tie ir vai nu koncentriski cilindri, vai arī konuss un plakana virsma. Šeit parasti mēra nepieciešamo griezes momentu, lai uzturētu kādu norādītu ātrumu. Rotācijas ātrums ir proporcionāls bīdes ātrumam (du/dy) un griezes moments ir proporcionāls bīdes spriegumam (tau). Šie ir rotācijas viskozimetri.
  • Šķidrumā ievieto svārstošu ķermeni un mēra svārstību rimšanu. Šīs ierīces var izgatavot ļoti mazas.

Dažu Ņūtona šķidrumu dinamiskās viskozitātes:

Gāzes (pie 0 °C):

Viela viskozitāte (Pa·s)
ūdeņradis 8,4 × 10-6
gaiss 17,4 × 10-6
ksenons 21,2 × 10-6

Šķidrumi (pie 20 °C):

Viela viskozitāte (Pa·s)
etanols 0,248 × 10-3
acetons 0,326 × 10-3
metanols 0,59 × 10-3
benzols 0,64 × 10-3
ūdens 1,0020 × 10-3
nitrobenzols 2,0 × 10-3
dzīvsudrabs 17,0 × 10-3
sērskābe 30 × 10-3
olīveļļa 81 × 10-3
glicerīns 1,485
izkausēti polimēri 103
piķis 107
stikls 1040

Ūdens viskozitāte

Temperatūra

[°C]

Viskozitāte

[Pa·s]

10 1,308 × 10−3
20 1,003 × 10−3
30 7,978 × 10−4
40 6,531 × 10−4
50 5,471 × 10−4
60 4,668 × 10−4
70 4,044 × 10−4
80 3,550 × 10−4
90 3,150 × 10−4
100 2,822 × 10−4

Atsauces[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]