ความหนืดคืออะไร?

ความหนืดของของเหลวเป็นตัววัดความต้านทานการไหล อธิบายแรงเสียดทานภายในของของไหลเคลื่อนที่ ของเหลวหนืดต้านทานการเคลื่อนไหวเนื่องจากองค์ประกอบของโมเลกุลทำให้เกิดการเสียดสีภายในมาก ของเหลวที่มีความหนืดต่ำไหลได้ง่ายเนื่องจากองค์ประกอบโมเลกุลทำให้เกิดการเสียดสีเพียงเล็กน้อยเมื่อเคลื่อนที่

ในระดับโมเลกุล ความหนืดเกิดจากปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลต่างๆ ในของเหลว นี่ถือได้ว่าเป็นการเสียดสีระหว่างโมเลกุล เช่นเดียวกับในกรณีของแรงเสียดทานระหว่างของแข็งที่เคลื่อนที่ ความหนืดจะเป็นตัวกำหนดพลังงานที่จำเป็นต่อการไหลของของไหล

วิธีที่ดีที่สุดในการเห็นภาพสิ่งนี้คือผ่านตัวอย่าง พิจารณาถ้วยที่ทำจากโฟมที่มีรูอยู่ด้านล่าง ฉันสังเกตว่าถ้วยระบายช้ามากเมื่อเราเทน้ำผึ้งลงไป เนื่องจากน้ำผึ้งมีความหนืดค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับของเหลวอื่นๆ เมื่อเราเติมน้ำลงในถ้วยเดียวกัน เช่น น้ำจะระบายเร็วกว่ามาก ของเหลวที่มีความหนืดต่ำเรียกว่า "บาง" ในขณะที่ของเหลวที่มีความหนืดสูงเรียกว่า "หนา" เคลื่อนผ่านของเหลวที่มีความหนืดต่ำ (เช่น น้ำ) ได้ง่ายกว่าของเหลวที่มีความหนืดสูง (เช่น น้ำผึ้ง)

ปัจจัยที่มีผลต่อความหนืด

ความหนืดได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย ตัวอย่าง ได้แก่ อุณหภูมิ ความดัน และการเติมโมเลกุลอื่นๆ ความดันมีผลเล็กน้อยต่อของเหลวและมักถูกละเลย การเพิ่มโมเลกุลอาจมีผลอย่างมาก ตัวอย่างเช่น น้ำตาลทำให้น้ำมีความหนืดมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิมีผลกระทบต่อความหนืดมากที่สุด อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในของเหลวจะลดความหนืดลงเนื่องจากทำให้โมเลกุลมีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ผลกระทบของอุณหภูมิต่อความหนืดนั้นตรงกันข้ามกับก๊าซ เมื่ออุณหภูมิของแก๊สเพิ่มขึ้น ความหนืดจะเพิ่มขึ้น ความหนืดของแก๊สไม่ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญจากการดึงดูดระหว่างโมเลกุล แต่โดยการเพิ่มอุณหภูมิ ซึ่งทำให้โมเลกุลเกิดการชนกันมากขึ้น

ความหนืดไดนามิกและจลนศาสตร์

การรายงานความหนืดทำได้ XNUMX วิธี แอบโซลูทหรือ ความหนืดแบบไดนามิก เป็นการวัดความต้านทานการไหลของของไหลในขณะที่ ความหนืดจลนศาสตร์ คืออัตราส่วนของความหนืดไดนามิกต่อความหนาแน่นของของเหลว แม้ว่าความสัมพันธ์จะตรงไปตรงมา แต่สิ่งสำคัญคือต้องจำของเหลวสองชนิดที่มีค่าความหนืดไดนามิกเดียวกันอาจมีความหนาแน่นต่างกัน และทำให้ค่าความหนืดจลนศาสตร์ต่างกัน และแน่นอน ความหนืดไดนามิกและความหนืดจลนศาสตร์มีหน่วยต่างกัน

หน่วยความหนืด

หน่วย SI สำหรับความหนืดคือนิวตัน-วินาทีต่อตารางเมตร (N·s/m2) อย่างไรก็ตาม คุณมักจะเห็นความหนืดแสดงในรูปของปาสกาลวินาที (Pa·s) กิโลกรัมต่อเมตรต่อวินาที (kg·m-1·s-1) ชั่ง (P หรือ g·cm-1·s− 1 = 0.1 Pa·s) หรือ centipoise (cP) ทำให้ความหนืดของน้ำที่ 20 °C ประมาณ 1 cP หรือ 1 mPa·s

ในทางวิศวกรรมของอเมริกาและอังกฤษ หน่วยทั่วไปอีกหน่วยหนึ่งคือปอนด์-วินาทีต่อตารางฟุต (lb·s/ft2) หน่วยทางเลือกและเทียบเท่าคือปอนด์-ฟอร์ซ-วินาทีต่อตารางฟุต (lbf·s/ft2)

หน่วยความหนืดไดนามิก

ทรงตัว (สัญลักษณ์: ป)

Poise (สัญลักษณ์: P) ตั้งชื่อตามแพทย์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Jean Louis Marie Poiseuille (พ.ศ. 1799-1869) ซึ่งเป็นหน่วยความหนืด CGS เทียบเท่ากับไดน์-วินาทีต่อตารางเซนติเมตร มันคือความหนืดของของไหลซึ่งแรงสัมผัส 1 ไดน์ต่อตารางเซนติเมตรรักษาความแตกต่างของความเร็วไว้ที่ 1 เซนติเมตรต่อวินาทีระหว่างระนาบคู่ขนานสองระนาบที่ห่างกัน 1 เซนติเมตร แม้แต่ในความสัมพันธ์กับของเหลวที่มีความหนืดสูง หน่วยนี้มักพบเป็นเซนติพอยส์ (cP) ซึ่งมีค่า 0.01 ชั่ง ของเหลวในชีวิตประจำวันจำนวนมากมีความหนืดระหว่าง 0.5 ถึง 1000 cP

Pascal-วินาที (สัญลักษณ์: Pa·s)

นี่คือหน่วย SI ของความหนืด เทียบเท่ากับนิวตัน-วินาทีต่อตารางเมตร (N·sm–2) บางครั้งเรียกว่า "poiseuille" (Pl) หนึ่งชั่งเท่ากับ 0.1 Pa·s หนึ่ง poiseuille คือ 10 ชั่งหรือ 1000 cP ในขณะที่ 1 cP = 1 mPa·s (หนึ่งมิลลิปาสกาลวินาที)

หน่วยความหนืดจลนศาสตร์

สโตกส์ (สัญลักษณ์: เซนต์)

นี่คือหน่วย cgs เท่ากับตารางเซนติเมตรต่อวินาที หนึ่งสโตกมีค่าเท่ากับความหนืดในสถานะหารด้วยความหนาแน่นของของเหลวในหน่วย g cm–3 ส่วนใหญ่มักจะพบเป็น centistokes (cSt) (= 0.01 stokes)

เซย์โบลท์ วินาทียูนิเวอร์แซล

นี่คือเวลาที่ของเหลว 60 มล. จะไหลผ่านปากที่ปรับเทียบแล้วของเครื่องวัดความหนืด Saybolt Universal ที่อุณหภูมิที่ระบุความหนืด Kinematic ตามที่กำหนดโดยวิธีการทดสอบ ASTM D 88 สำหรับความหนืดที่สูงขึ้น จะใช้ SSF (Saybolt Seconds Furol)

สูตรความหนืด

แบบจำลองพื้นฐานของการไหลระหว่างสองแผ่น [1]

อัตราส่วนของแรงภายนอก (F) ไปยังพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบ (A) ถูกกำหนดเป็น ความเครียดเฉือน (σ):

σ = F/A

พื้นที่ ความเครียดเฉือน (γ) ถูกกำหนดให้เป็นการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ในความยาวของวัสดุเนื่องจากแรงภายนอก:

γ = l/l₀

อัตราส่วนระหว่างความเค้นเฉือน (σ) และแรงเฉือน (γ) ถูกกำหนดเป็น โมดูลัส (G):

G = σ/ γ

ถ้าเพลทบนในรูปที่ 1 เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แน่นอน (v) การไล่ระดับความเร็ว dv/dx ถูกกำหนดให้เป็น อัตราเฉือน (γ̇). เซอร์ ไอแซก นิวตัน ผู้กำหนดกฎการเคลื่อนที่และความโน้มถ่วงสากล ค้นพบว่าในของเหลวในอุดมคติ (เรียกว่าของไหลของนิวตัน) ความเค้นเฉือน (σ) เกี่ยวข้องโดยตรงกับอัตราเฉือน (γ̇):

σ = ใช่ or η = σ/γ̇

ของไหลของนิวตันและไม่ใช่ของนิวตัน

ของเหลวของนิวตันตามที่เรียกว่ามีความหนืดคงที่ เมื่อคุณเพิ่มแรง ความต้านทานจะเพิ่มขึ้น แต่จะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ไม่ว่าจะออกแรงมากแค่ไหนกับของไหลของนิวตัน มันก็จะทำหน้าที่เหมือนของไหล อา ของเหลวของนิวตัน เป็นของเหลวที่เป็นไปตามกฎแรงเสียดทานของนิวตัน โดยที่ความหนืดไม่ขึ้นกับอัตราความเครียด

ความหนืดยังคงที่โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของอัตราเฉือนหรือการกวน เมื่อความเร็วของปั๊มเพิ่มขึ้น การไหลจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ของเหลวที่แสดงพฤติกรรมของนิวตัน ได้แก่ น้ำ น้ำมันแร่ น้ำเชื่อม ไฮโดรคาร์บอน และเรซิน

ของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวตัน

A ของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวตัน เป็นสิ่งที่ไม่เชื่อฟังกฎแรงเสียดทานของนิวตัน ระบบของเหลวส่วนใหญ่ไม่ใช่นิวตัน (เรียกว่า ของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวตัน) และความหนืดไม่คงที่ แต่จะเปลี่ยนแปลงตามหน้าที่ของการเพิ่มหรือลดอัตราเฉือนที่ใช้

ของเหลวหลายชนิดแสดงความหนืดที่ลดลงอันเป็นผลจากการเพิ่มอัตราเฉือน ของเหลวเหล่านี้เรียกว่า ของเหลวเทียม. “โครงสร้าง” ของของไหลในระบบเหล่านี้ถูกทำลายลงเนื่องจากแรงภายนอก ส่งผลให้ a เฉือนบาง พฤติกรรม. หากความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาค (หรือโมเลกุล) เริ่มต้นมีความแข็งแกร่ง ระบบอาจทำตัวเหมือนของแข็งที่อยู่นิ่ง แรงเฉือนเริ่มต้นที่จำเป็นในการเอาชนะแรงภายในและทำลายโครงสร้างถูกกำหนดเป็น มูลค่าผลผลิต ของระบบ วัสดุที่แสดงค่าผลผลิตแล้วแสดงให้เห็นการตัดเฉือนด้วยอัตราเฉือนที่เพิ่มขึ้นจะถูกกำหนดเป็น ของเหลวพลาสติก. ของเหลวบางชนิดมีความหนืดเพิ่มขึ้นตามอัตราเฉือนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เฉือนหนา. วัสดุเหล่านี้ถูกกำหนดเป็น ของเหลวขยายตัว.

แรงเฉือนเป็นฟังก์ชันของอัตราเฉือน [1]

ความหนืดเป็นฟังก์ชันของอัตราเฉือน [1]

พฤติกรรมการไหลเมื่อเวลาผ่านไป: Thixotropy

ของเหลวที่ซับซ้อนจะจัดเรียงตัวมันใหม่เมื่อเวลาผ่านไปเมื่อแรงภายนอกถูกขจัดออกไป ดังนั้น ความหนืดจึงไม่ควรวัดโดยการเพิ่มอัตราเฉือนเมื่อโครงสร้างแตกออกเท่านั้น แต่ยังวัดโดยการลดอัตราเฉือนเมื่อระบบสร้างตัวเองขึ้นใหม่ด้วย สิ่งนี้เรียกว่าฮิสเทรีซิส

ในการฟื้นตัวอย่างรวดเร็ว กราฟค่าความหนืดกับอัตราเฉือนที่ลดลงจะถูกซ้อนทับบนกราฟค่าความหนืดกับอัตราเฉือนที่เพิ่มขึ้น หากของเหลวต้องใช้เวลาในการฟื้นฟูโครงสร้าง "เส้นโค้งลง" จะอยู่ใต้ "เส้นโค้งขึ้น" ไทโซโทรปี ถูกกำหนดให้เป็นการแสดงการผอมบางเฉือนด้วยอัตราเฉือนที่เพิ่มขึ้นและการฟื้นตัวช้าลงด้วยอัตราเฉือนที่ลดลง ใน ไม่ใช่ thixotropic วัสดุ เส้นโค้ง "ขึ้น" และ "ลง" ทับซ้อนกันและใน เกี่ยวกับโรคไขข้อ วัสดุ เส้นโค้ง "ลง" อยู่เหนือเส้นโค้ง "ขึ้น"

แต่ในขณะที่ของเหลว thixotropic มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นของเหลวเทียม และบางครั้งของเหลวที่เกี่ยวกับไขข้ออักเสบมักถูกเข้าใจผิดว่าเป็นของเหลวที่ขยายตัว ของเหลวทั้งสองประเภทนี้แตกต่างกันในลักษณะสำคัญประการหนึ่ง: การพึ่งพาอาศัยเวลา การเปลี่ยนแปลงความหนืดตามความเค้นของสารไดเลแทนท์และของไหลสังเคราะห์ไม่ขึ้นกับเวลา แต่สำหรับของเหลว thixotropic ความหนืดจะลดลงตามความเค้นที่เพิ่มขึ้น ยิ่งใช้ความเค้นนานขึ้น เช่นเดียวกับของเหลวเกี่ยวกับไขกระดูก ความหนืดจะเพิ่มขึ้นตามความเค้นที่เพิ่มขึ้น ยิ่งใช้ความเครียดดังกล่าวนานขึ้น

เราใช้ผลิตภัณฑ์มากมายในชีวิตประจำวันที่แสดงพฤติกรรม thixotropic Thixotropy เป็นคุณสมบัติที่อธิบายได้ว่าทำไมผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล เช่น เจลใส่ผมและยาสีฟันจึงเปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็งเมื่อบีบ แต่จะกลับสู่สถานะของแข็งในภายหลังเพื่อรักษารูปร่าง คุณสมบัติทางรีโอโลยีของการสลายตัวของโครงสร้างและการสร้างใหม่สัมพันธ์กับเวลาเป็นตัวกำหนดคุณภาพของผลิตภัณฑ์

ความหนืดเป็นฟังก์ชันของอัตราเฉือน – พฤติกรรมแบบ thixotropic และไม่ใช่ thixotropic (ลูกศรแสดงอัตราการเฉือนที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง) [1]

ความหนืดสัมพันธ์กับความเครียดเมื่อเวลาผ่านไป (พฤติกรรม Thixotropic Vs Rheopectic) [2]

ความสำคัญของความหนืดในชีวิตประจำวัน

ในหลาย ๆ ด้าน ความหนืดนั้นมีประโยชน์จริง ๆ แม้ว่าจะดูเหมือนมีความสำคัญเล็กน้อยในชีวิตประจำวันก็ตาม ตัวอย่างเช่น:

• การหล่อลื่นในรถยนต์เมื่อคุณใส่น้ำมันลงในรถยนต์หรือรถบรรทุกของคุณ คุณควรพิจารณาถึงความหนืดของน้ำมันด้วย เป็นเพราะความหนืดส่งผลต่อการเสียดสี ซึ่งส่งผลต่อความร้อน นอกจากนี้ ความหนืดยังส่งผลต่อทั้งอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันและความสะดวกในการสตาร์ทรถในสภาพอากาศร้อนและเย็น ความหนืดของน้ำมันบางชนิดยังคงเท่าเดิมเมื่อร้อนและเย็น ขณะที่น้ำมันบางชนิดจะบางลงเมื่อความร้อน ทำให้เกิดปัญหาขณะใช้งานรถในช่วงฤดูร้อน
• ในการเตรียมและเสิร์ฟอาหาร ความหนืดมีบทบาทสำคัญ น้ำมันปรุงอาหารหลายชนิดจะมีความหนืดมากขึ้นเมื่อทำความเย็น ในขณะที่น้ำมันอื่นๆ อาจไม่เปลี่ยนความหนืดเลย เนื่องจากไขมันมีความหนืดเมื่อถูกความร้อน จะทำให้แข็งตัวเมื่อแช่เย็น ความหนืดของซอส ซุป และสตูว์ก็มีความสำคัญเช่นกันในอาหารประเภทต่างๆ เมื่อหั่นบาง ๆ มันฝรั่งหนาและซุปต้นหอมจะกลายเป็นวิชิซีซอสแบบฝรั่งเศส ตัวอย่างเช่น น้ำผึ้งมีความหนืดค่อนข้างมากและสามารถเปลี่ยน “ความรู้สึกปาก” ของอาหารบางชนิดได้
• อุปกรณ์ในการผลิตจำเป็นต้องได้รับการหล่อลื่นอย่างเหมาะสมเพื่อให้ทำงานได้อย่างราบรื่น ท่ออาจติดขัดและอุดตันด้วยสารหล่อลื่นที่มีความหนืด สารหล่อลื่นแบบบางให้การปกป้องชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวไม่เพียงพอ
• เมื่อของเหลวถูกฉีดเข้าเส้นเลือดดำ ความหนืดเป็นสิ่งสำคัญ ความกังวลหลักเกี่ยวข้องกับความหนืดของเลือด: เลือดที่มีความหนืดมากเกินไปสามารถก่อให้เกิดการอุดตันภายใน ในขณะที่เลือดที่บางเกินไปจะไม่จับตัวเป็นลิ่ม ทำให้เสียเลือดที่เป็นอันตรายและอาจถึงแก่ชีวิต

ความหนืดทั่วไปบางชนิด