Fizika | Tanulmányok, esszék » Folyadékok viszkozitása

Folyadékok viszkozitása Alapfogalmak A viszkozitás a folyékony állapotú ragasztó- és felületkezelı anyagok minıségének egyik legfontosabb meghatározója. Befolyásolja a felületre felvihetı rétegvastagságot, a hígító szükségletet és általában a felhasználhatóságot. Értékét a gyártási folyamattól kezdve egészen a felhordásig állandóan ellenırzik, mert a viszkozitás idıbeni változásából az anyag tárolhatóságára lehet következtetni. A folyadékokban a molekulák helyzetváltoztatásához erıkifejtésre van szükség, mert a molekulák mintegy „súrlódnak” egymáshoz, és ezt a belsı súrlódást az elmozduláskor le kell gyızni. A viszkozitás az anyag belsı súrlódása, amely akadályozza az alakváltozást, az anyag egyes rétegeinek egymás melletti elmozdulását, áramlását. v −v dv F =η ⋅ A⋅ 1 2 =η ⋅ A⋅ l1 − l 2 dl Az ideálisan viszkózus reológiai testek (newtoni vagy ideális folyadékok) viselkedését

a Newton-törvény fejezi ki: F dv τ = =η ⋅ =η ⋅ D A dl vagyis a dinamikai viszkozitás - a folyadék belsı súrlódása - a folyadékáramlást elıidézı nyírófeszültség (τ, [Pa]) és a sebesség-gradiens (D, [s-1]) közötti arányossági tényezı (η [Pa·s]). (Régebben használatos egysége a poise (P) volt, 1 Pa·s = 10P = 1000 cP) A kinematikai viszkozitás (ν) a dinamikai viszkozitás és a közeg sőrőségének a hányadosa: ν= η ρ Egysége a m2/s, régi mértékegysége a stokes (St) volt. (1 St = 10-4 m2/s) A folyadékok azon csoportját, melyeknél a fenti összefüggés széles tartományban érvényes, Newton-féle folyadékoknak nevezzük. Ekkor a nyírófeszültség és sebesség gradiens hányadosa állandó, a viszkozitás a τ =η ⋅ D függvény meredekségébıl meghatározható. A folyadékok másik jelentıs részénél, melyek közé a nagy molekulatömegő anyagok, ezek oldatai, valamint a kolloid diszperz rendszerek tartoznak, a

Newton-féle definícióhoz képest eltérés van a függvénykapcsolatban: τ n =η ⋅D vagyis a viszkozitás értéke az alkalmazott nyírófeszültségtıl függ. Ezek a nem Newton-féle, vagy anomális folyadékok, melyeknek viszkozitása nem anyagi állandó, hanem a sebesség-gradiens és nyíróerı, tehát a mérési feltételek függvénye, melyeket a viszkozitás meghatározásakor pontosan definiálni kell. 1 A viszkozitást az anyagi minıség mellett számos paraméter befolyásolja: így pl. hımérséklet, nyomás, elegyek esetében pedig a koncentráció is. Nem newtoni-folyadékok esetében függ még a sebesség-gradienstıl (vagy nyírófeszültségtıl). Különbözı anyagi minıségő rendszerek adatai csak abban az esetben hasonlíthatók össze, ha ezeket a változókat állandó értéken tartjuk. Általában légköri nyomáson dolgozunk, a kísérleti körülmények (τ, D) optimális megválasztása és azonos értéken tartása szintén

biztosítható. A hımérséklet változását azonban feltétlenül ki kell küszöbölni, amelyet rendszerint termosztálással oldanak meg. A viszkozitás hımérsékleti függésére a legáltalánosabban elfogadott a folyadékok lyukelmélete alapján levezetett összefüggés, mely szerint ∆E η = A ⋅ e RT ahol: A = állandó, amely szigorúan szintén nem független a hımérséklettıl, ∆E = a folyadékmolekulák mozgékonyságának 1 mólra vonatkoztatott aktiválási energiája [kJ⋅mol-1], R = egyetemes gázállandó (8,314 J⋅K-1⋅mol-1), T = abszolút hımérséklet. A viszkozitás a hımérséklet növekedésével exponenciálisan csökken, melyet grafikusan a ln η 1/T diagramban ábrázolva egyenest kapunk. 2 Viszkozitás mérési módszerek Abszolút módszerek Viszkozitás mérésére a stacionárius, lamináris áramlás három formáját használják fel: • Áramlás kapillárisban, amikor a viszkozitás kiszámítására a Hagen-Poiseuille

törvény alkalmas. • Esı golyó körül kialakuló áramlás, melynél a viszkozitást a Stokes-féle ülepedési végsebességet leíró egyenlettel lehet számolni. • Koaxiális hengerek közötti áramlás, melynél a viszkozitást a Margules-egyenlet adja meg. Relatív módszerek Olyan eljárások, melyeknél nem az abszolút viszkozitást, hanem valamilyen ismert viszkozitású folyadékkal összehasonlított, a viszkozitással összefüggésben lévı paramétert adnak meg. A leggyakrabban alkalmazott eljárások: • Engler viszkozitás-mérés. Szabványosított készülékben a 20 °C-os víz és a vizsgálandó folyadék meghatározott hımérsékleten mért kifolyási idejének viszonya. Abszolút viszkozitási értékre csak közelítı, empirikus képletekkel számolható át. • Mérıpohár. Kifolyási idıt határoznak meg ezzel az eljárással Viszkozitás mérés golyós viszkoziméterrel Golyós viszkozimétereket newtoni folyadékok belsı súrlódásának

meghatározására használják. Nem newtoni folyadékoknál a látszólagos viszkozitás mérésére alkalmasak Ha egy golyó végtelen nagy átmérıjő csıben lassan esik (lamináris áramlási tartományban ) érvényes rá a Stokes féle egyenlet: 2 2 g (ρ g − ρ f ) ⋅ r v= ⋅ η 9 ahol: v = az esési sebesség, ρg = a golyó sőrősége, ρf = a folyadék sőrősége, r = a golyó sugara, η = folyadék viszkozitása, g = nehézségi gyorsulás. A csı véges átmérıje, valamint a golyó gördülése miatt korrekciót kell alkalmazni. Ilyen körülmények között a Stokes egyenlet alkalmazható. Az állandókat, a korrekciós tagot, valamint az esési utat egybevonva az un. K golyóállandóba, a viszkozitás meghatározására szolgáló egyenlet: η = K · t · ( ρg - ρf ) [ mPa·s], ahol: t = a golyó esési ideje [s]; ρg = a golyó sőrősége [g/cm3], ρf = a folyadék sőrősége [g/cm3]. A legismertebb golyós viszkoziméter a Höppler-féle viszkoziméter.

Fı része egy pontos belsı átmérıjő, hengeresre csiszolt üvegcsı, melyet a vizsgálandó folyadékkal buborékmentesen kell feltölteni. A temperáló köpennyel körülvett üveghenger a vízszintessel 80°-os szöget zár be, ez biztosítja a golyó gördülését, mely a mérés jobb reprodukálhatóságát eredményezi. A gördülés sebességét a csövön lévı két jel közötti gördülési idı mérésével határozzák meg. A készülék a hozzátartozó különbözı átmérıjő és sőrőségő golyókkal 0,01 400 000 mPa·s közötti viszkozitások mérésére alkalmas 3 A lamináris áramlás biztosítására az esési idınek 30 másodpercnél hosszabbnak kell lennie. Ha az esési idı kisebb 30 másodpercnél, a mérést nagyobb golyóval kell végezni; ha nagyobb 300 másodpercnél, akkor kisebb golyóval. Mérési feladat: viszkoziméterrel Viszkozitás hımérsékletfüggésének meghatározása Höppler A mérés kivitelezése: A mérés elıtt

ultratermosztáttal állítsa be a vízfürdı köpeny kívánt hımérsékletét. A vizsgálathoz a hengeresen csiszolt csövet alul gumitömítéses fémdugóval zárja le. A hengert úgy töltse meg a vizsgálandó folyadékkal, hogy abba még a golyó és a felsı dugó is beférjen. Várja meg, míg a folyadékból a buborékok eltávoznak, majd a várható viszkozitásnak megfelelı golyót helyezze a csıbe. A golyó belehelyezése után a buborékzárós dugóval zárja a csövet, és helyezze rá a zárósapkát. Állítsa vízszintesbe a viszkozimétert. Olvassa le a beépített hımérıt A hátsó rögzítıcsap meglazítása után fordítsa fejjel lefelé a mőszer forgó részét a tengelye körül és várja meg, amíg a golyó lesüllyed. Majd a mőszert eredeti helyzetébe visszafordítva stopperórával mérje a golyó süllyedési idıtartamát az üvegcsövön levı két jel között. Az esési idı mérését még kétszer ismételje meg. Folytassa a mérést úgy,

hogy a termosztáton ~5 °C-onként növekvı hımérsékletet állít be. Várja meg a termosztáló folyadék és a vizsgálandó minta átmelegedését, majd három párhuzamos vizsgálattal ismét mérje meg a golyó esési idejét! Számítások: 1. Az egyes hımérsékleteken mért esési idık átlagából, a golyó és a vizsgálandó folyadék sőrőségébıl számítsa ki a viszkozitások értékét! 2. Ábrázolja a viszkozitás hımérsékletfüggését! (A hımérsékletet a vízszintes tengelyre vegye fel.) 3. Ábrázolja a ln η − 1/T összefüggést, és az egyenes meredekségébıl határozza meg a ∆E aktiválási energiát, valamint a tengelymetszetbıl a ln A számértékét! 4