Környezettechnikai eljárások gyakorlat 14. évfolyam Az ülepedés folyamata, hatékonysága Mitykó János 2009 TÁMOP 2.2.3-07/1-2F-2008-0011

Viszkozitás

Viszkozitás A viszkozitás más elnevezéssel a belső súrlódás egy gáz, vagy folyadék (fluidum) belső ellenállásának mértéke a csúsztató feszültséggel szemben. A víz jól folyik, kisebb a viszkozitása mint az ét-olajnak vagy a méznek, amelyek kevésbé folyé-konyak. Minden valóságos fo-lyadéknak vagy gáznak van viszkozitása (kivéve a szuprafolyékony anyagokat). Az ideális folyadék és ideális gáz viszkozitása nulla. A köznyelvben gyakran (helytelenül) a nagy visz-kozitású anyagokat nevezik sűrűnek.

Viszkozitás Általában egy gáz vagy folyadék lamináris áramlása folyamán a közeg egyes rétegei különböző sebességgel áramlanak. A különböző sebességű rétegek elcsúsznak, súrlódnak egymáson, melynek következtében nyíróerő lép fel. Ennek az erőnek semmi köze a szilárd testek elmozdításakor ébredő súrlódáshoz, mert a felületre merőleges erőnek (jelen esetben a gáz- vagy a folyadékrétegeknek egymásra gyakorolt nyomásából származó erőnek) nincs hatása a nyíróerőre. Ezen kívül a szilárd testek súrlódásával ellentétben nyugvó gáz, vagy folyadék rétegei között nem lép fel nyíróerő.

Lamináris áramlás Az áramlás profilja parabolikus Reynolds-szám

Viszkozitás A viszkozitás értelmezését elsőként Newton adta meg, aki feltételezte, hogy a rétegek párhuzamos és egyenletes áramlása esetén az elmozdulás irányával ellentétes irányú súrlódó erő (F) egyenesen arányos a súrlódó felületek nagyságával (A) és a sebességgradienssel (du/dy). Az arányossági tényező az adott gáz vagy folyadék anyagi minőségére jellemző állandó a dinamikai viszkozitás (η).

Viszkozitás A dinamikai viszkozitásból kiindulva definiáltak még számos egyéb viszkozitást is. Legismertebb és a kenéstechnikában legáltalánosabban használt a kinematikai viszkozitás, amely a dinamikai viszkozitás η és a folyadék sűrűségének ρ a hányadosa:

A folyadékok viszkozitásának a mérése Működési alapelve a Hagen-Poisseuille-törvény, amely a kapillárisban történő folyadék-áramlás körülményeit írja le. Ha a törvényből kifejezzük a di-namikai viszkozitást, az alábbi összefüggést kapjuk: Ostwald-féle viszkoziméter

Eső golyós viszkoziméter Működési alapelve a Stokes-törvény. Mint pl. a mellékelt ábrán látható Höppler-féle viszkoziméter esetén a vízfürdőben termosztált, kissé ferdén elhelyezkedő, a vizsgá-landó folyadékkal töltött üveg-csőben egy golyó szabadon esik, és mérik a golyó esési idejét a cső két jele között. A golyó lefelé irányuló mozgását kiváltó nehézségi erő (Fg) és felhajtóerő különbségével (Ffe) szemben fellép a folyadék di-namikai viszkozitásával (η) ará-nyos (Fs) súrlódó erő.

Engler-féle viszkoziméter Kettős falú, termosztálható fémedény. Az alsó részén meghatározott méretű kifolyónyílás található. Adott mennyiségű folyadék kifolyási idejét mérik. A mérési eredményt Engler-fokban (°E) adják meg, amely az adott hőmérsékletű folyadék és az ugyanolyan hőmérsékletű víz kifolyási idejének a hányadosa. Az Engler-fok relatív adat, így az átszámítás Stokes-ra vagy m2/s-ra táblázat segítségével történhet. Az Engler-féle viszkoziméter Karl Engler német kémikusról kapta a nevét.

A viszkozitás mértékegységei Dinamikai viszkozitás: η. A dinamikai viszkozitás SI egysége: a Pascal·másodperc, mely megegyezik a 1 kg·m−1·s−1-mal. A dinamikus viszkozitás cgs egysége a poise (P), melyet Jean Louis Marie Poiseuille-ról neveztek el. Gyakrabban ennek századrészét a centipoise-t (cP) használták. A centipoise széleskörű használatának az az oka, hogy a víz viszkozitása 20 °C hőmérsékleten 1,0020 cP. 1 poise = 100 centipoise = 1 g·cm−1·s−1 = 0,1 Pa·s. 1 centipoise = 0,001 Pa·s.

Kinematikai viszkozitás: n = η/ρ A kinematikai viszkozitás SI egysége: m2/s cgs egysége a stokes, jele: St, melyet George Gabriel Stokesról neveztek el. Néha helyette a centistokes (cSt) használatos. Amerikában gyakran a stoke formában használják (mintha a stokes a többes száma lenne). 1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²·s−1 = 0,0001 m²·s−1. A kinematikai és dinamikai viszkozitás közötti át-számítás: η = ν·ρ, így ha ν = 1 St, akkor η = ν·ρ = 0,1 kg/m·s = 0,1 Pa∙s.

Az anyagok viszkozitása atmoszférikus nyomáson mérve hőmérséklet (°C) viszkozitás (Pa·s) hidrogén 8,4 × 10-6 50 9,3 × 10-6 100 10,3 × 10-6 levegő 17,1 × 10-6 19,4 × 10-6 22,0 × 10-6 xenon 21,2 × 10-6 víz 1,79 × 10-3 20,2 10-3 0,55 × 10-3 0,28 × 10-3 jég -13 15 × 1012 higany 20 17,0 × 10-3 aceton 0,326 × 10-3 etil-alkohol 0,248 × 10-3 metil-alkohol 0,59 × 10-3 benzol 0,64 × 10-3 nitro-benzol 2,0 × 10-3 bitumen 108 melasz 102 méz 101 ricinusolaj 0,985 olívaolaj [81 × 10-3 … 100 × 10-3]

Viszkozitás Ha tehát az anyagok viszkozitásának a logaritmusát az abszolút hőmérséklet reciprokának a függvényében ábrázoljuk, elméletileg egyeneseket kapunk. Ezeknek az egyeneseknek az iránytangensei arányosak az adott folyadék viszkozitási aktiválási energiájával. A kenőanyagok esetében gyakran fontos követelmény, hogy a viszkozitás minél kisebb mértékben függjön a hőmérséklettől (téli-nyári minőség). Kenőolajok esetén ez azért fontos, mert csapágyak kenésénél a külső hőmérséklet jelentősen befolyásolja a kenőolaj választását.

Sűrűségmérés