Τι είναι το ιξώδες;

Το ιξώδες ενός ρευστού είναι ένα μέτρο της αντίστασής του στη ροή. Περιγράφει την εσωτερική τριβή ενός κινούμενου ρευστού. Τα παχύρρευστα υγρά αντιστέκονται στην κίνηση επειδή η μοριακή τους σύνθεση δημιουργεί μεγάλη εσωτερική τριβή. Τα υγρά με χαμηλό ιξώδες ρέουν εύκολα επειδή η μοριακή τους σύνθεση δημιουργεί μικρή τριβή όταν βρίσκονται σε κίνηση.

Σε μοριακό επίπεδο, το ιξώδες προκαλείται από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφορετικών μορίων σε ένα ρευστό. Αυτό μπορεί επίσης να θεωρηθεί ότι είναι τριβή μεταξύ των μορίων. Ακριβώς όπως στην περίπτωση της τριβής μεταξύ κινούμενων στερεών, το ιξώδες θα καθορίσει την ενέργεια που απαιτείται για τη ροή ενός ρευστού.

Ο καλύτερος τρόπος για να το οπτικοποιήσετε αυτό είναι μέσω ενός παραδείγματος. Σκεφτείτε ένα φλιτζάνι από φελιζόλ με μια τρύπα στο κάτω μέρος. Παρατηρώ ότι το φλιτζάνι στραγγίζει πολύ αργά όταν του ρίχνουμε μέλι. Αυτό συμβαίνει επειδή το ιξώδες του μελιού είναι σχετικά υψηλό σε σύγκριση με άλλα υγρά. Όταν για παράδειγμα γεμίσουμε το ίδιο φλιτζάνι με νερό, το νερό θα στραγγίσει πολύ πιο γρήγορα. Ένα ρευστό με χαμηλό ιξώδες λέγεται ότι είναι "λεπτό", ενώ ένα ρευστό υψηλού ιξώδους λέγεται ότι είναι "παχύ". Είναι πιο εύκολο να μετακινηθείτε μέσα από ένα ρευστό χαμηλού ιξώδους (όπως το νερό) παρά ένα ρευστό υψηλού ιξώδους (όπως το μέλι).

Παράγοντες που επηρεάζουν το ιξώδες

Το ιξώδες επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία, την πίεση και την προσθήκη άλλων μορίων. Η πίεση έχει μικρή επίδραση στα υγρά και συχνά αγνοείται. Η προσθήκη μορίων μπορεί να έχει σημαντικό αποτέλεσμα. Η ζάχαρη, για παράδειγμα, κάνει το νερό πιο παχύρρευστο.

Η θερμοκρασία, ωστόσο, έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο ιξώδες. Η αύξηση της θερμοκρασίας σε ένα υγρό μειώνει το ιξώδες επειδή δίνει στα μόρια αρκετή ενέργεια για να υπερνικήσουν τη διαμοριακή έλξη. Η επίδραση της θερμοκρασίας στο ιξώδες είναι αντίθετη για τα αέρια. Καθώς η θερμοκρασία του αερίου αυξάνεται, το ιξώδες αυξάνεται. Το ιξώδες του αερίου δεν επηρεάζεται σημαντικά από τη διαμοριακή έλξη, αλλά από την αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία προκαλεί τη σύγκρουση περισσότερων μορίων.

Δυναμικό και Κινητικό ιξώδες

Υπάρχουν δύο τρόποι για να αναφέρετε το ιξώδες. Απόλυτο ή δυναμικό ιξώδες είναι ένα μέτρο της αντίστασης ενός ρευστού στη ροή ενώ κινηματικό ιξώδες είναι ο λόγος του δυναμικού ιξώδους προς την πυκνότητα ενός ρευστού. Αν και η σχέση είναι απλή, είναι σημαντικό να θυμάστε ότι δύο ρευστά με τις ίδιες τιμές δυναμικού ιξώδους μπορεί να έχουν διαφορετικές πυκνότητες και επομένως να διαφέρουν στις τιμές κινηματικού ιξώδους. Και, φυσικά, το δυναμικό ιξώδες και το κινηματικό ιξώδες έχουν διαφορετικές μονάδες.

Μονάδες Ιξώδους

Η μονάδα SI για το ιξώδες είναι newton-second ανά τετραγωνικό μέτρο (N·s/m2). Ωστόσο, θα δείτε συχνά το ιξώδες να εκφράζεται σε πασκάλ-δευτερόλεπτο (Pa·s), χιλιόγραμμα ανά μέτρο ανά δευτερόλεπτο (kg·m−1·s−1), poise (P ή g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) ή centipoise (cP). Αυτό καθιστά το ιξώδες του νερού στους 20 °C περίπου 1 cP ή 1 mPa·s.

Στην αμερικανική και βρετανική μηχανική, μια άλλη κοινή μονάδα είναι τα λίβρα-δευτερόλεπτα ανά τετραγωνικό πόδι (lb·s/ft2). Μια εναλλακτική και ισοδύναμη μονάδα είναι pound-force-seconds ανά τετραγωνικό πόδι (lbf·s/ft2).

Μονάδες δυναμικού ιξώδους

Poise (σύμβολο: P)

Poise (σύμβολο: P) Ονομάστηκε από τον Γάλλο ιατρό Jean Louis Marie Poiseuille (1799–1869), αυτή είναι η μονάδα ιξώδους CGS, που ισοδυναμεί με dyne-second ανά τετραγωνικό εκατοστό. Είναι το ιξώδες ενός ρευστού στο οποίο μια εφαπτομενική δύναμη 1 dyne ανά τετραγωνικό εκατοστό διατηρεί μια διαφορά στην ταχύτητα 1 εκατοστού ανά δευτερόλεπτο μεταξύ δύο παράλληλων επιπέδων που απέχουν 1 εκατοστό μεταξύ τους. Ακόμη και σε σχέση με ρευστά υψηλού ιξώδους, αυτή η μονάδα συνήθως συναντάται ως centipoise (cP), που είναι 0.01 poise. Πολλά καθημερινά υγρά έχουν ιξώδες μεταξύ 0.5 και 1000 cP

Pascal-second (σύμβολο: Pa · s)

Αυτή είναι η μονάδα ιξώδους SI, ισοδύναμη με το newton-second ανά τετραγωνικό μέτρο (N · sm – 2). Μερικές φορές αναφέρεται ως "poiseuille" (Pl). Το ένα μέτρο είναι ακριβώς 0.1 Pa · s. Ένα poiseuille είναι 10 poise ή 1000 cP, ενώ 1 cP = 1 mPa · s (ένα millipascal-second).

Μονάδες κινηματικού ιξώδους

Στόουκς (σύμβολο: St)

Αυτή είναι η μονάδα cgs, ισοδύναμη με τετραγωνικό εκατοστό ανά δευτερόλεπτο. Το ένα stokes είναι ίσο με το ιξώδες σε poise διαιρούμενο με την πυκνότητα του ρευστού σε g cm–3. Συνήθως συναντάται ως centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt Seconds Universal

Αυτός είναι ο χρόνος για να ρέουν 60 ml υγρού μέσα από το βαθμονομημένο στόμιο ενός ιξωδόμετρου Saybolt Universal σε καθορισμένη θερμοκρασία κινηματικού ιξώδους, όπως ορίζεται στη μέθοδο δοκιμής ASTM D 88. Για υψηλότερα ιξώδη, χρησιμοποιείται SSF (Saybolt Seconds Furol).

Τύπος για το ιξώδες

Βασικό μοντέλο ροής μεταξύ δύο πλακών [1]

Ο λόγος της εξωτερικής δύναμης (F) στην πληγείσα περιοχή (A) ορίζεται ως το τάση διάτμησης (σ):

σ = F/A

Η καλύτερη κουρά διάτμησης (γ) ορίζεται ως η σχετική αλλαγή στο μήκος του υλικού λόγω της εξωτερικής δύναμης:

γ = l/l₀

Ο λόγος μεταξύ της διατμητικής τάσης (σ) και η διατμητική τάση (γ) ορίζεται ως το συντελεστής (G):

G = σ/ γ

Εάν η επάνω πλάκα στο σχήμα 1 κινείται με συγκεκριμένη ταχύτητα (v), η κλίση της ταχύτητας dv/dx ορίζεται ως το ρυθμός διάτμησης (γ̇). Ο Sir Isaac Newton, ο οποίος διατύπωσε τους νόμους της κίνησης και της παγκόσμιας βαρύτητας, ανακάλυψε ότι στα ιδανικά ρευστά (γνωστά ως Νευτώνεια ρευστά), η διατμητική τάση (σ) σχετίζεται άμεσα με το ρυθμό διάτμησης (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Νευτώνεια και μη Νευτώνεια Ρευστά

Τα νευτώνεια ρευστά, όπως ονομάζονται, έχουν σταθερό ιξώδες. Καθώς αυξάνετε τη δύναμη, η αντίσταση αυξάνεται, αλλά είναι μια αναλογική αύξηση. Ανεξάρτητα από το πόση δύναμη ασκείται σε ένα Νευτώνειο ρευστό, εξακολουθεί να λειτουργεί σαν ρευστό. ΕΝΑ Νεύτωνα ρευστό είναι ένα ρευστό που υπακούει στο νόμο της τριβής του Νεύτωνα, όπου το ιξώδες είναι ανεξάρτητο από τον ρυθμό παραμόρφωσης.

Το ιξώδες παραμένει σταθερό ανεξάρτητα από τις αλλαγές στον ρυθμό διάτμησης ή την ανάδευση. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα της αντλίας, η ροή αυξάνεται αναλογικά. Τα υγρά που εμφανίζουν Νευτώνεια συμπεριφορά περιλαμβάνουν νερό, ορυκτέλαια, σιρόπι, υδρογονάνθρακες και ρητίνες.

Μη νευτώνεια ρευστά

A μη νευτώνειο ρευστό είναι κάτι που δεν υπακούει στο νόμο της τριβής του Νεύτωνα. Τα περισσότερα υγρά συστήματα, δεν είναι νευτώνεια (γνωστά ως μη νευτώνεια ρευστά) και το ιξώδες τους δεν είναι σταθερό, αλλά μεταβάλλεται ως συνάρτηση της αύξησης ή της μείωσης του εφαρμοζόμενου ρυθμού διάτμησης.

Πολλά ρευστά παρουσιάζουν μείωση του ιξώδους ως συνάρτηση της αύξησης του ρυθμού διάτμησης. Αυτά τα υγρά ονομάζονται ψευδοπλαστικά υγρά. Η «δομή» του ρευστού σε αυτά τα συστήματα διασπάται λόγω της εξωτερικής δύναμης, με αποτέλεσμα α αραίωση διάτμησης η ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ. Εάν η αρχική διασωματιδιακή (ή μοριακή) σύνδεση είναι ισχυρή, το σύστημα μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένα στερεό σε ηρεμία. Η αρχική διατμητική τάση που απαιτείται για να ξεπεραστούν οι εσωτερικές δυνάμεις και να διαταραχθεί η κατασκευή ορίζεται ως η τιμή απόδοσης του συστήματος. Τα υλικά που παρουσιάζουν μια τιμή απόδοσης και στη συνέχεια παρουσιάζουν αραίωση διάτμησης με αυξανόμενο ρυθμό διάτμησης ορίζονται ως πλαστικά υγρά. Ορισμένα ρευστά παρουσιάζουν αύξηση του ιξώδους με αυξανόμενο ρυθμό διάτμησης, ένα φαινόμενο γνωστό ως πάχυνση διάτμησης. Αυτά τα υλικά ορίζονται ως διασταλτικά υγρά.

Διατμητική τάση ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης [1]

Το ιξώδες ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης [1]

Συμπεριφορά ροής με την πάροδο του χρόνου: Θιξοτροπία

Ένα πολύπλοκο ρευστό αναδιατάσσεται με την πάροδο του χρόνου όταν αφαιρείται μια εξωτερική δύναμη. Έτσι, το ιξώδες δεν θα πρέπει να μετριέται μόνο με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης καθώς η δομή διασπάται, αλλά και με τη μείωση του ρυθμού διάτμησης καθώς το σύστημα αποκαθίσταται. Αυτό ονομάζεται υστέρηση.

Σε μια γρήγορη ανάκτηση, η γραφική παράσταση ιξώδους έναντι φθίνουσας ταχύτητας διάτμησης θα υπερτίθεται στην γραφική παράσταση ιξώδους έναντι αυξανόμενης ταχύτητας διάτμησης. Εάν το ρευστό χρειάζεται χρόνο για να αποκαταστήσει τη δομή του, η «κάτω καμπύλη» θα είναι κάτω από την «καμπύλη πάνω». Θιξοτροπία ορίζεται ως η εμφάνιση λέπτυνσης διάτμησης με αυξημένο ρυθμό διάτμησης και βραδύτερη ανάκτηση με μειωμένο ρυθμό διάτμησης. Σε μη θιξοτροπικό υλικά, οι καμπύλες «πάνω» και «κάτω» επικαλύπτονται και μέσα ρεοπεκτικός υλικά, η καμπύλη «κάτω» είναι πάνω από την καμπύλη «πάνω».

Όμως, ενώ τα θιξοτροπικά υγρά περιστασιακά μπερδεύονται με ψευδοπλαστικά υγρά και τα ρεοπεκτικά υγρά μερικές φορές μπερδεύονται με διασταλτικά υγρά, αυτοί οι δύο τύποι υγρών διαφέρουν με έναν κρίσιμο τρόπο: την εξάρτηση από το χρόνο. Η αλλαγή στο ιξώδες σε σχέση με την τάση για διασταλτικά και ψευδοπλαστικά υγρά είναι ανεξάρτητη του χρόνου. Αλλά για τα θιξοτροπικά υγρά, το ιξώδες μειώνεται με την αυξημένη τάση όσο περισσότερο εφαρμόζεται η τάση. Το ίδιο ισχύει και για τα ρεοπεκτικά υγρά, το ιξώδες αυξάνεται με την αύξηση της τάσης όσο περισσότερο εφαρμόζεται η εν λόγω τάση.

Χρησιμοποιούμε πολλά προϊόντα στην καθημερινή ζωή που παρουσιάζουν θιξοτροπική συμπεριφορά. Η θιξοτροπία είναι η ιδιότητα που εξηγεί γιατί τα προϊόντα προσωπικής περιποίησης όπως τα τζελ μαλλιών και η οδοντόκρεμα μετατρέπονται από υγρό σε στερεό όταν πιέζονται, αλλά επιστρέφουν στη στερεά τους κατάσταση μετά για να διατηρήσουν το σχήμα τους. Οι ρεολογικές ιδιότητες της δομικής αποσύνθεσης και αναγέννησης σε σχέση με το χρόνο καθορίζουν την ποιότητα ενός προϊόντος.

Το ιξώδες ως συνάρτηση του ρυθμού διάτμησης – θιξοτροπική και μη θιξοτροπική συμπεριφορά (τα βέλη δείχνουν αυξανόμενο ή μειούμενο ρυθμό διάτμησης) [1]

Ιξώδες σε σχέση με την καταπόνηση με την πάροδο του χρόνου (Θιξοτροπική έναντι ρεοπηκτικής συμπεριφοράς) [2]

Η σημασία του ιξώδους στην καθημερινή ζωή

Σε πολλά διαφορετικά πεδία, το ιξώδες μπορεί πραγματικά να είναι πολύ χρήσιμο, παρόλο που φαίνεται να έχει μικρή σημασία στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα:

• Λίπανση σε οχήματα.Όταν βάζετε λάδι στο αυτοκίνητο ή το φορτηγό σας, θα πρέπει να λάβετε υπόψη το ιξώδες του. Είναι επειδή το ιξώδες επηρεάζει την τριβή, η οποία επηρεάζει τη θερμότητα. Επιπλέον, το ιξώδες επηρεάζει τόσο τον ρυθμό κατανάλωσης λαδιού όσο και την ευκολία εκκίνησης του οχήματός σας σε ζεστές και κρύες συνθήκες. Το ιξώδες ορισμένων λαδιών παραμένει το ίδιο καθώς θερμαίνονται και κρυώνουν, ενώ άλλα γίνονται πιο λεπτά καθώς θερμαίνονται, προκαλώντας προβλήματα καθώς χειρίζεστε το αυτοκίνητό σας κατά τη διάρκεια μιας ζεστής καλοκαιρινής μέρας.
• Στην προετοιμασία και το σερβίρισμα του φαγητού, το ιξώδες παίζει σημαντικό ρόλο. Πολλά μαγειρικά λάδια γίνονται πολύ πιο παχύρρευστα με την ψύξη, ενώ άλλα μπορεί να μην αλλάξουν καθόλου το ιξώδες. Καθώς το λίπος είναι παχύρρευστο όταν θερμαίνεται, γίνεται στερεό όταν ψυχθεί. Το ιξώδες των σαλτσών, των σούπας και των μαγειρευτών είναι επίσης σημαντικό σε διάφορες κουζίνες. Όταν αραιωθεί, μια πηχτή σούπα πατάτας και πράσου γίνεται γαλλική βισσοάζ. Το μέλι, για παράδειγμα, είναι αρκετά παχύρρευστο και μπορεί να αλλάξει την «αίσθηση του στόματος» ορισμένων τροφών.
• Ο εξοπλισμός στην κατασκευή πρέπει να λιπαίνεται σωστά για να λειτουργεί ομαλά. Οι σωληνώσεις μπορεί να μπλοκάρουν και να φράξουν από παχύρρευστα λιπαντικά. Τα λεπτά λιπαντικά παρέχουν ανεπαρκή προστασία για τα κινούμενα μέρη.
• Όταν τα υγρά εγχέονται ενδοφλεβίως, το ιξώδες μπορεί να είναι κρίσιμο. Μια σημαντική ανησυχία αφορά το ιξώδες του αίματος: το αίμα που είναι πολύ παχύρρευστο μπορεί να σχηματίσει εσωτερικούς θρόμβους, ενώ το πολύ λεπτό αίμα δεν θα πήξει, προκαλώντας επικίνδυνη απώλεια αίματος, ακόμη και θάνατο.

Μερικά τυπικά ιξώδη