Viskozitāte

Viskozitātes attēlojums. Apakšējam (violetajam) šķidrumam ir lielāka viskozitāte, nekā augšējam.

Eksperiments, kas rāda, ka iekšējā berze šķidruma staba centrā ir mazāka nekā malās, kas saskaras ar stiklu

Viskozitāte jeb stigrība, arī staignums, stīgrums, valkanība, valkanums 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

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 Ņūtona viskozitātes likumu:

$F_{b}=\eta S{\frac {dv}{dz}}$,

kur:

• $F_{b}$ — iekšējās berzes spēks;
• $\eta$ — proporcionalitātes koeficients, kas atkarīgs no šķidruma īpašībām, temperatūras un spiediena (atkarība no spiediena ir neliela). Šo sauc par dinamiskās viskozitātes koeficientu vai dinamisko viskozitāti;
• $S$ — slāņu saskares virsmas laukums;
• ${\frac {dv}{dz}}$ — ātruma gradients, kas perpendikulārs abām berzes virsmām. To sauc arī par bīdes ātrumu un dažreiz apzīmē ar g.

Iekšējās berzes spēka $F_{b}$ dalījumu ar slāņu saskares virsmu $S$, sauc par iekšējās berzes spriegumu vai bīdes spriegumu un aprēķina $\tau ={\frac {F_{b}}{S}}$.

Ņūtona šķidrumi

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 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 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).

Ūdens viskozitāte

Temperatūra [C]	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Viskozitāte [mPa*s]	1,30	1	0,80	0,65	0,55	0,47	0,4	0,35	0,32	0,28

Noteikšana

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 ķermeņa 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 ${\frac {dv}{dz}}$ 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.

Dinamisko viskozitāšu tabulas

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

Skatīt arī

• Lamināra plūsma
• Turbulence
• Reinoldsa skaitlis
• Puazeija likums