Loading Preview
Sorry, preview is currently unavailable. You can download the paper by clicking the button above.
Độ nhớt được định nghĩa là sự tương tác giữa các phần tử với nhau trong môi trường chất lỏng. Hay còn được gọi là độ dày của chất lỏng. Mỗi chất lỏng có cấu tạo bởi số lượng phân tử khác nhau nên chỉ số nhớt của từng loại chất lỏng sẽ khác nhau.
Hệ số nhớt là gì?
Kích thước của độ nhớt được biểu thị bằng hệ số độ nhớt. Định luật của Newton nói rằng trong dòng chảy cắt thuần túy, ứng suất cắt giữa hai lớp chất lỏng có thể được biểu thị như sau:
Trường hợp độ dốc vận tốc theo hướng y [vuông góc với hướng của vận tốc chất lỏng], còn được gọi là tốc độ biến dạng cắt, là hằng số tỷ lệ, tức là hệ số nhớt, bằng với hướng tiếp tuyến của chất lỏng trên một đơn vị diện tích khi độ dốc vận tốc là một đơn vị giá trị lực.
Đơn vị của hệ số độ nhớt là Poise. Hệ thống đơn vị quốc tế sử dụng Pa.giây [1 poise = dyne ·second/cm = 10 Pa.s] và kích thước của nó là MLT. Đối với hầu hết các chất lỏng, đơn vị thông thường là Poise [10 Pa.s].
Hệ số nhớt của chất lỏng
Các chất lỏng khác nhau có chỉ số độ nhớt khác nhau, nó tương tự như độ brix trong thực phẩm. Một lượng nhỏ chất lỏng [như glycerin] có thể có hệ số nhớt là 15, hệ số nhớt của dầu ô liu gần bằng 1. Ở 20 ° C, hệ số nhớt của nước là 1,0087 cps. Hệ số độ nhớt của khí dao động từ 2,1 x 10 poise đến 0,8 x 10 poise của hydro, cả hai đều theo thứ tự 10 poise.
Hệ số độ nhớt của chất lỏng ở các nhiệt độ khác nhau có thể được xác định bằng các phương pháp thí nghiệm khác nhau.
Ví dụ, giữa hai hình trụ đồng trục có bán kính khác nhau, chất lỏng chứa đầy độ nhớt cần đo. Khi xi lanh bên ngoài quay, chất lỏng gần nhất với thành xi lanh ngoài cũng có thể di chuyển với cùng tốc độ và xi lanh bên trong cũng di chuyển do độ nhớt. Vì xi lanh bên trong được treo từ dây cố định ở đầu trên, nó dừng quay sau khi được xoay đến một góc nhất định.
Nếu góc xoắn của dây được đo, mô-men xoắn có thể được tính. Vì mô-men xoắn được tạo ra bởi mômen xoắn và lực cắt chất lỏng bằng nhau, nên lực cắt và hệ số nhớt của chất lỏng có thể được lấy. Một phương pháp khác là xác định hệ số độ nhớt của một thể tích chất lỏng nhất định và thời gian cần thiết để chảy từ một ống mỏng dưới một áp suất nhất định.
Cách tính hệ số nhớt
Hệ số độ nhớt phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ, nhưng hiếm khi thay đổi theo áp suất và mối quan hệ của nó với nhiệt độ khá khác nhau đối với chất lỏng và khí. Đối với chất lỏng, hệ số nhớt giảm khi nhiệt độ tăng, đối với chất khí, khi nhiệt độ tăng, hệ số nhớt tăng.
Đối với các chất khí, mối quan hệ giữa hệ số nhớt M và nhiệt độ T có thể được biểu thị dưới dạng công thức Sutherland
µ = CT3/2/T + S
Công thức tính hệ số nhớt còn được biểu thị bằng phương trình Newton cho chất lỏng:
F/A = n[dv/dr]
- Trong đó F đại diện cho lực và A đại diện cho khu vực. Vì vậy, F/A hoặc lực chia cho diện tích, là một cách khác để xác định độ nhớt.
- DV chia dr đại diện cho “tốc độ tuyệt đối”, hoặc tốc độ chất lỏng đang di chuyển.
- n là đơn vị liên tục bằng 0,00089 Pa s [Pascal giây], mà là một đơn vị đo độ nhớt động.
Luật này có một số ứng dụng thực tế quan trọng như in phun, công thức/tiêm protein và sản xuất thực phẩm/đồ uống.
Độ nhớt chất lỏng Newton và phi Newton
Hầu hết các chất lỏng phổ biến, được gọi là chất lỏng Newton, có hệ số nhớt không đổi. Có một lực cản lớn hơn khi bạn tăng lực, nhưng đó là sự gia tăng tỷ lệ không đổi. Nói tóm lại, một chất lỏng Newton tiếp tục hoạt động như một chất lỏng, bất kể bao nhiêu lực được đưa vào nó.
Ngược lại, độ nhớt của chất lỏng phi Newton không phải là hằng số, mà thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào lực tác dụng. Một ví dụ kinh điển về chất lỏng phi Newton là Oobleck [đôi khi được gọi là “chất nhờn”], thể hiện hành vi giống như rắn khi sử dụng một lượng lớn lực. Một tập hợp chất lỏng phi Newton khác được gọi là chất lỏng từ tính. Chúng phản ứng với từ trường bằng cách trở nên gần như rắn nhưng trở lại trạng thái lỏng khi bị loại khỏi từ trường.
Tầm quan trọng của độ nhớt
Mặc dù loại chất nhờn này có tầm quan trọng nhỏ trong cuộc sống hàng ngày, nhưng nó thực sự có thể rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ:
Bôi trơn trong xe: Khi bạn đổ dầu vào xe hơi hoặc xe tải, bạn nên chú ý đến số lượng nhớt của nó. Đó là bởi vì nhớt ảnh hưởng đến ma sát, và lần lượt, ma sát ảnh hưởng đến nhiệt. Ngoài ra, độ nhớt cũng ảnh hưởng đến tốc độ tiêu thụ dầu và mức độ dễ dàng mà xe của bạn sẽ bắt đầu trong điều kiện nóng hoặc lạnh.
Một số loại dầu có độ nhớt ổn định hơn, trong khi những loại khác phản ứng với nóng hoặc lạnh; nếu chỉ số độ nhớt của dầu của bạn thấp, nó có thể trở nên mỏng hơn khi nóng lên, điều này có thể gây ra vấn đề khi bạn vận hành xe vào một ngày hè nóng bức.
Nấu ăn: Độ nhớt đóng một vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị và phục vụ thực phẩm. Dầu ăn có thể hoặc không thể thay đổi hệ số nhớt khi chúng nóng, trong khi nhiều loại trở nên nhớt hơn nhiều khi chúng nguội. Chất béo, có chie số nhớt vừa phải khi được làm nóng, trở nên rắn chắc khi được làm lạnh. Các món ăn khác nhau cũng dựa vào độ nhớt của nước sốt, súp và món hầm.
Chế tạo: Thiết bị sản xuất đòi hỏi phải bôi trơn thích hợp để chạy trơn tru. Chất bôi trơn quá nhớt có thể gây kẹt và làm tắc đường ống. Chất bôi trơn quá mỏng cung cấp quá ít sự bảo vệ cho các bộ phận chuyển động.
Dược phẩm: Chỉ số nhớt có thể có tầm quan trọng quan trọng trong y học vì chất lỏng được đưa vào cơ thể tiêm tĩnh mạch. Độ nhớt của máu là một vấn đề chính: máu quá nhớt có thể hình thành cục máu đông nguy hiểm, trong khi máu quá loãng sẽ không đóng cục; điều này có thể dẫn đến mất máu nguy hiểm và thậm chí tử vong.
Với những giải thích trên, mong rằng các bạn sẽ hiểu hơn về khái niệm độ nhớt và tầm quan trọng của nó trong nhiều lĩnh vực.
PHỤ LỤC 6.3
Độ nhớt của chất lỏng là một đặc tính của chất lỏng liên quan chặt chẽ đến lực ma sát nội tại cản lại sự di động tương đối của các lớp phân tử trong lòng chất lòng đó. Độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối, ký hiệu là η, là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích bề mặt, được biết như một ứng suất trượt τ [biểu thị bằng pascal], cần thiết để di chuyển một lớp chất lỏng 1 m2 song song với mặt phẳng trượt ở tốc độ [v] là 1 m/s so với lớp chất lỏng song song ở một khoảng cách [x] là 1 m.
Tỷ lệ dv/dx là gradient vận tốc cho tốc độ trượt D, biểu thị là nghịch đảo của giây [s -1] và η = τ/D.
Đơn vị của độ nhớt động lực là pascal giây [Pas] hoặc newton giây trên mét vuông [N-s/m2] và ước số hay dùng là milipascal giây [mPa-s]. Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị độ nhớt cơ bản là poise [P] và ước số hay dùng là centipoise [cP].
1 Pa -s = 1000 mPa-s = 1 N-s/m2
1 P = 0,1 Pa -s = 100 cP = 100 mPa-s
Độ nhớt động lực của nước cất ở 20 °C xấp xỉ bằng 1 centipoise.
Độ nhớt động học [v] là tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng [p] của chất lỏng [biểu thị bằng kg/m3], cả hai đều được xác định ở cùng nhiệt độ t.
ν= η / ρ
Đơn vị độ nhớt động học là m2/s, ước số là mm2/s. Ngoài ra người ta còn dùng đơn vị độ nhớt động học là stocker [St] và ước số hay dùng là centistocker [cSt].
1 St = 10-4 m2/s
1 cSt = 10-6m2/s =1 mm2/s
Độ nhớt động học của nước cất ở 20 °C xấp xỉ bằng 1 cSt. Khi tính độ nhớt động học của một chất lỏng theo stocker hay centistocker, đi từ độ nhớt động lực tính theo poise hay centipoise thì khối lượng riêng của chất lỏng đó phải tính theo g/cm3
Độ nhớt thay đổi rõ rệt khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt độ tăng thì độ nhớt giảm và ngược lại. Vì vậy, phải xác định độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ ổn định, dao động không quá ± 0,1 °C.
Phương pháp xác định độ nhớt của chất lỏng
Phương pháp I: Phương pháp đo thời gian chảy của chất lỏng qua ống mao quản
Nhiều nhớt kế mao quản với những kích thước khác nhau, thích hợp cho việc xác định độ nhớt của các chất lỏng khác nhau. Mỗi loại có một hàng số dụng cụ [k] riêng. Trong số những nhớt kế mao quản, nhớt kế Ostwald thường hay được sử dụng nhất [Hình 6.3.1].
Cách xác đinh độ nhớt bằng nhớt kế Oswald: Dùng pipet dài để chuyển qua miệng ống B chất lỏng cần xác định độ nhớt đã được ổn định nhiệt độ ở 20 °C ± 0,1 °C [trừ khi có chỉ dẫn khác] vào bầu chứa V, sao cho không dính hoặc chỉ dính rất ít chất lỏng đem thử vào thành ống B ở phía trên bầu V. Đặt nhớt kế thẳng đứng và chìm hết bầu V trong môi trường điều nhiệt ở nhiệt độ 20 °C ± 0,1 °C [trừ khi có chỉ dẫn khác] trong 30 min. Sau đó dùng quả bóp cao su [phụ kiện của dụng cụ đo độ nhớt] thổi từ miệng ống B để chất lỏng dâng lên quá ngấn chuẩn a thì ngừng bơm, bỏ quả bóp cao su khỏi miệng ống B để chất lỏng đem thử chảy tự do về bầu V. Ghi thời gian cần thiết để vòng khum dưới của chất lỏng đem thử chuyển dịch từ ngấn a đến ngấn b. Làm như vậy 5 lần, lấy trung bình cộng của các kết quả đo được làm thời gian t cần xác định. Sai số các kết quả đo không vượt quá 0,5 %. Để đỡ mắc sai số lớn, cần chọn nhớt kế thích hợp sao cho thời gian t không được dưới 200 s.
Tính độ nhớt lực học η hoặc độ nhớt động học v lần lượt theo công thức sau:
Khi không có giá trị k, có thể tự xác định hằng số k bằng cách dùng một chất lỏng đã biết trước độ nhớt η hoặc v và tính k theo công thức [1] hoặc [2]. Nhớt kế đã bị sửa chữa thì khi sử dụng lại, phải được chuẩn lại. Nếu dùng nhớt kế mao quản với máy đo tự động thì vận hành máy theo quy trình hướng dẫn của hãng sản xuất máy. Thời gian cần thiết để chất lỏng đem thử chuyển dịch từ ngấn a đến ngấn b sẽ được tự động ghi lại.
Phương pháp II: Phương pháp đo thời gian rơi của trái cầu Phương pháp này thích hợp cho các chất lỏng trong suốt và có độ nhớt cao [từ 8 poise đến 1000 poise]. Dụng cụ: [Hình 6-3.2] Gồm 1 ống thử a, dài 30 cm, đường kính trong là 2 cm ± 0,05 cm. Trên thành ống có khắc 5 ngấn vòng quanh, mỗi ngấn cách nhau 5 cm. Ống thử a được đặt trong bình điều nhiệt b có chứa nước, phía trên có nắp đậy. Trên nắp có các lỗ để đặt nhiệt kế chia độ đến 0,1 °C, que khuấy c và phễu g. Trái cầu là những viên bi bằng thép có đường kính 0,15 cm. Viên bi sẽ được thả vào ống thử a qua một ống nhỏ d có đường kính trong là 0,3 cm. Ống d có một lỗ ngang cao hơn mực chất thử trong ống a, đầu dưới của ống d ở ngang ngấn trên cùng của ống a và thấp hơn mặt chất thử 3 cm. Khi không có dụng cụ như trên có thể dùng các nhớt kế khác có tính năng tương tự, đảm bảo cung cấp giá trị độ nhớt với độ chính xác và độ đúng như những nhớt kế đã mô tả ở trên [ví dụ: Nhớt kế Hoppler]. Phương pháp đo: Đổ chất lỏng cần xác định độ nhớt vào ống thử a sao cho mực chất lỏng cao hơn đầu dưới của ống d 3 cm. Đặt các viên bi vào một ống thử nghiệm nhỏ lồng qua lỗ đặt phễu g. Giữ chất lỏng cần thử và các viên bi trong môi trường điều nhiệt có nhiệt độ ở 20 °C ± 0,1 °C trong 30 min [trừ khi có chỉ dẫn khác]. Sau đó thả từng viên bi vào trong chất lỏng đem thử qua ống d. Ghi thời gian rơi của 5 viên bi từ ngấn thứ hai đến ngấn thứ năm [15 cm]. Lấy trung bình cộng của 5 lần đo này làm thời gian t cần xác định.
Tính độ nhớt động lực của chất lỏng đem thử theo công thức:
Phương pháp III
Thiết bị thường dùng là loại nhớt kế quay, dựa trên việc đo lực trượt trong môi trường lỏng được đặt giữa hai ống hình trụ đồng trục, một ống được quay nhờ môtơ, còn ống kia quay được do sự quay của ống thứ nhất tác động vào. Dưới những điều kiện như vậy, độ nhớt [hay độ nhớt biểu kiến] trở thành phép đo [M] độ lệch của góc đối với ống hình trụ thứ 2, tương ứng với momen lực, biểu thị bằng N-in. Đối với lớp chất lỏng rất mỏng, độ nhớt động lực η, biểu thị bằng Pa-S được tính theo công thức:
Hằng số k của máy được tính ở các tốc độ quay khác nhau bằng cách sử dụng các chất lỏng có độ nhớt chuẩn. Các máy luôn được cung cấp một bảng có các hằng số liên quan đến diện tích bề mặt của các ổng trụ được dùng và tốc độ quay của chúng. Độ nhớt được tính theo công thức:
η = k [ M/ω]
Cách đo: Đo độ nhớt theo sự chỉ dẫn cách vận hành nhớt kế quay. Nhiệt độ đo được chỉ dẫn trong chuyên luận. Nếu không thể đặt được tốc độ trượt chính xác như chỉ dẫn thì đặt tốc độ trượt cao hơn một chút và thấp hơn một chút sau đó dùng phương pháp nội suy để tính độ nhớt.