Convertidor de Viscositat
Entenent el Flux de Fluids: Fonaments de la Viscositat
La viscositat mesura la resistència d'un fluid a fluir—la mel és més viscosa que l'aigua. Entendre la diferència crítica entre la viscositat dinàmica (resistència absoluta) i la viscositat cinemàtica (resistència relativa a la densitat) és essencial per a la mecànica de fluids, l'enginyeria de lubricació i els processos industrials. Aquesta guia cobreix tots dos tipus, la seva relació a través de la densitat, les fórmules de conversió per a totes les unitats i aplicacions pràctiques des de la selecció d'oli de motor fins a la consistència de la pintura.
Conceptes Fonamentals: Dos Tipus de Viscositat
Viscositat Dinàmica (μ) - Absoluta
Mesura la resistència interna a l'esforç tallant
La viscositat dinàmica (també anomenada viscositat absoluta) quantifica quanta força es necessita per moure una capa de fluid sobre una altra. És la propietat intrínseca del fluid mateix, independent de la densitat. Valors més alts signifiquen més resistència.
Fórmula: τ = μ × (du/dy) on τ = esforç tallant, du/dy = gradient de velocitat
Unitats: Pa·s (SI), poise (P), centipoise (cP). Aigua @ 20°C = 1.002 cP
Viscositat Cinemàtica (ν) - Relativa
Viscositat dinàmica dividida per la densitat
La viscositat cinemàtica mesura la rapidesa amb què flueix un fluid sota l'efecte de la gravetat. Té en compte tant la resistència interna (viscositat dinàmica) com la massa per volum (densitat). S'utilitza quan el flux impulsat per la gravetat és important, com el drenatge d'oli o l'abocament de líquids.
Fórmula: ν = μ / ρ on μ = viscositat dinàmica, ρ = densitat
Unitats: m²/s (SI), stokes (St), centistokes (cSt). Aigua @ 20°C = 1.004 cSt
NO PODEU convertir Pa·s (dinàmica) a m²/s (cinemàtica) sense conèixer la densitat del fluid.
Exemple: 100 cP d'aigua (ρ=1000 kg/m³) = 100 cSt. Però 100 cP d'oli de motor (ρ=900 kg/m³) = 111 cSt. Mateixa viscositat dinàmica, diferent viscositat cinemàtica! Aquest convertidor evita les conversions de tipus creuat per evitar errors.
Exemples Ràpids de Conversió
La Relació de Densitat: ν = μ / ρ
La viscositat dinàmica i la cinemàtica estan relacionades a través de la densitat. Entendre aquesta relació és crucial per als càlculs de mecànica de fluids:
Aigua @ 20°C
- μ (dinàmica) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
- ρ (densitat) = 998.2 kg/m³
- ν (cinemàtica) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
- Relació: ν/μ ≈ 1.0 (l'aigua és la referència)
Oli de Motor SAE 10W-30 @ 100°C
- μ (dinàmica) = 62 cP = 0.062 Pa·s
- ρ (densitat) = 850 kg/m³
- ν (cinemàtica) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
- Nota: La cinemàtica és un 18% més alta que la dinàmica (a causa de la menor densitat)
Glicerina @ 20°C
- μ (dinàmica) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
- ρ (densitat) = 1,261 kg/m³
- ν (cinemàtica) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
- Nota: Molt viscós—1,400× més espès que l'aigua
Aire @ 20°C
- μ (dinàmica) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
- ρ (densitat) = 1.204 kg/m³
- ν (cinemàtica) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
- Nota: Baixa dinàmica, alta cinemàtica (els gasos tenen baixa densitat)
Estàndards Industrials de Mesura
Abans dels viscosímetres moderns, la indústria utilitzava mètodes de copa d'eflux—mesurant quant de temps triga un volum fix de fluid a drenar-se a través d'un orifici calibrat. Aquests estàndards empírics encara s'utilitzen avui dia:
Segons Universals Saybolt (SUS)
Estàndard ASTM D88, àmpliament utilitzat a Amèrica del Nord per a productes petroliers
ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (vàlid per a SUS > 32)
- Mesurat a temperatures específiques: 100°F (37.8°C) o 210°F (98.9°C)
- Interval comú: 31-1000+ SUS
- Exemple: Oli SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
- Variant Saybolt Furol (SFS) per a fluids molt viscosos: orifici ×10 més gran
Segons Redwood No. 1 (RW1)
Estàndard britànic IP 70, comú al Regne Unit i a l'antiga Commonwealth
ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (vàlid per a RW1 > 34)
- Mesurat a 70°F (21.1°C), 100°F, o 140°F
- Variant Redwood No. 2 per a fluids més espessos
- Conversió: RW1 ≈ SUS × 1.15 (aproximat)
- En gran part substituït per estàndards ISO, però encara es fa referència en especificacions antigues
Graus Engler (°E)
Estàndard alemany DIN 51560, utilitzat a Europa i a la indústria del petroli
ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (vàlid per a °E > 1.2)
- Mesurat a 20°C, 50°C, o 100°C
- °E = 1.0 per a l'aigua @ 20°C (per definició)
- Interval comú: 1.0-20°E
- Exemple: Gasoil ≈ 3-5°E @ 20°C
Punts de Referència de Viscositat al Món Real
| Fluid | Dinàmica (μ, cP) | Cinemàtica (ν, cSt) | Notes |
|---|---|---|---|
| Aire @ 20°C | 0.018 | 15.1 | Baixa densitat → alta cinemàtica |
| Aigua @ 20°C | 1.0 | 1.0 | Fluid de referència (densitat ≈ 1) |
| Oli d'oliva @ 20°C | 84 | 92 | Interval d'oli de cuina |
| SAE 10W-30 @ 100°C | 62 | 73 | Oli de motor calent |
| SAE 30 @ 40°C | 200 | 220 | Oli de motor fred |
| Mel @ 20°C | 10,000 | 8,000 | Líquid molt viscós |
| Glicerina @ 20°C | 1,412 | 1,120 | Alta densitat + viscositat |
| Quètxup @ 20°C | 50,000 | 45,000 | Fluid no newtonià |
| Melassa @ 20°C | 5,000 | 3,800 | Xarop espès |
| Betum/Quitrà @ 20°C | 100,000,000,000 | 80,000,000,000 | Experiment de la gota de betum |
Fets Fascinants sobre la Viscositat
Experiment de la Gota de Betum
L'experiment de laboratori més llarg del món (des de 1927) a la Universitat de Queensland mostra el betum (quitrà) fluint a través d'un embut. Sembla sòlid, però en realitat és un líquid de molt alta viscositat—100 mil milions de vegades més viscós que l'aigua! Només han caigut 9 gotes en 94 anys.
La Viscositat de la Lava Determina els Volcans
La lava basàltica (baixa viscositat, 10-100 Pa·s) crea erupcions suaus d'estil hawaià amb rius que flueixen. La lava riolítica (alta viscositat, 100,000+ Pa·s) crea erupcions explosives d'estil Mont Saint Helens perquè els gasos no poden escapar. La viscositat literalment modela les muntanyes volcàniques.
La Viscositat de la Sang Salva Vides
La sang és 3-4 vegades més viscosa que l'aigua (3-4 cP @ 37°C) a causa dels glòbuls vermells. L'alta viscositat de la sang augmenta el risc d'ictus/atac de cor. L'aspirina a dosis baixes redueix la viscositat en prevenir l'agregació plaquetària. Les proves de viscositat de la sang poden predir malalties cardiovasculars.
El Vidre NO és un Líquid Superrefredat
Contràriament al mite popular, les finestres antigues no són més gruixudes a la part inferior a causa del flux. La viscositat del vidre a temperatura ambient és de 10²⁰ Pa·s (un bilió de bilions de vegades la de l'aigua). Perquè fluís 1 mm trigaria més que l'edat de l'univers. És un veritable sòlid, no un líquid lent.
Els Graus de l'Oli de Motor Són Viscositat
SAE 10W-30 significa: 10W = viscositat d'hivern @ 0°F (flux a baixa temperatura), 30 = viscositat @ 212°F (protecció a temperatura de funcionament). La 'W' és d'hivern (winter), no de pes (weight). Els olis multigrau utilitzen polímers que s'enrotllen en fred (baixa viscositat) i s'expandeixen en calent (mantenen la viscositat).
Els Insectes Caminen sobre l'Aigua mitjançant la Viscositat
Els sabaters exploten la tensió superficial, però també aprofiten la viscositat de l'aigua. Els moviments de les seves potes creen vòrtexs que empenyen contra la resistència viscosa, propulsant-los cap endavant. En un fluid de viscositat zero (teòric), no es podrien moure—relliscarien sense tracció.
Evolució de la Mesura de la Viscositat
1687
Isaac Newton descriu la viscositat a Principia Mathematica. Introdueix el concepte de 'fricció interna' en els fluids.
1845
Jean Poiseuille estudia el flux sanguini als capil·lars. Deriva la Llei de Poiseuille que relaciona el cabal amb la viscositat.
1851
George Stokes deriva les equacions per al flux viscós. Demostra la relació entre la viscositat dinàmica i la cinemàtica.
1886
Osborne Reynolds introdueix el nombre de Reynolds. Relaciona la viscositat amb el règim de flux (laminar vs turbulent).
1893
El viscosímetre Saybolt s'estandarditza als EUA. El mètode de la copa d'eflux es converteix en l'estàndard de la indústria del petroli.
1920s
El poise i l'stokes es nomenen com a unitats CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s es converteixen en estàndard.
1927
Comença l'experiment de la gota de betum a la Universitat de Queensland. Encara en marxa—l'experiment de laboratori més llarg de la història.
1960s
El SI adopta el Pa·s i el m²/s com a unitats estàndard. El centipoise (cP) i el centistokes (cSt) continuen sent comuns.
1975
L'estàndard ASTM D445 estandarditza la mesura de la viscositat cinemàtica. El viscosímetre capil·lar es converteix en l'estàndard de la indústria.
1990s
Els viscosímetres rotacionals permeten la mesura de fluids no newtonians. Important per a pintures, polímers, aliments.
2000s
Els viscosímetres digitals automatitzen la mesura. Els banys amb control de temperatura asseguren una precisió de ±0.01 cSt.
Aplicacions al Món Real
Enginyeria de Lubricació
Selecció d'oli de motor, fluid hidràulic i lubricació de coixinets:
- Graus SAE: 10W-30 significa 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (rangs de viscositat cinemàtica)
- Graus ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (viscositat cinemàtica @ 40°C en cSt)
- Selecció de coixinets: Massa prim = desgast, massa espès = fricció/calor
- Índex de viscositat (VI): Mesura la sensibilitat a la temperatura (més alt = millor)
- Olis multigrau: Els additius mantenen la viscositat a través de les temperatures
- Sistemes hidràulics: Típicament 32-68 cSt @ 40°C per a un rendiment òptim
Indústria del Petroli
Especificacions de viscositat de combustible, petroli cru i refinat:
- Fueloil pesat: Mesurat en cSt @ 50°C (s'ha d'escalfar per bombejar)
- Dièsel: 2-4.5 cSt @ 40°C (especificació EN 590)
- Classificació del petroli cru: Lleuger (<10 cSt), mitjà, pesat (>50 cSt)
- Flux en canonades: La viscositat determina els requisits de potència de bombeig
- Graus de combustible marí: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
- Procés de refinat: El visbreaking redueix les fraccions pesades
Alimentació i Begudes
Control de qualitat i optimització de processos:
- Classificació de la mel: 2,000-10,000 cP @ 20°C (depenent de la humitat)
- Consistència del xarop: Xarop d'auró 150-200 cP, xarop de blat de moro 2,000+ cP
- Làctics: La viscositat de la nata afecta la textura i la sensació a la boca
- Xocolata: 10,000-20,000 cP @ 40°C (procés de temperatge)
- Carbonatació de begudes: La viscositat afecta la formació de bombolles
- Oli de cuina: 50-100 cP @ 20°C (el punt de fum es correlaciona amb la viscositat)
Fabricació i Recobriments
Pintura, adhesius, polímers i control de processos:
- Viscositat de la pintura: 70-100 KU (unitats Krebs) per a la consistència de l'aplicació
- Recobriment per aspersió: Típicament 20-50 cP (massa espès obstrueix, massa prim degota)
- Adhesius: 500-50,000 cP depenent del mètode d'aplicació
- Foses de polímer: 100-100,000 Pa·s (extrusió/emmotllament)
- Tintes d'impressió: 50-150 cP per a flexografia, 1-5 P per a òfset
- Control de qualitat: La viscositat indica la consistència del lot i la vida útil
Efectes de la Temperatura en la Viscositat
La viscositat canvia dràsticament amb la temperatura. La majoria dels líquids disminueixen la seva viscositat a mesura que augmenta la temperatura (les molècules es mouen més ràpid, flueixen més fàcilment):
| Fluid | 20°C (cP) | 50°C (cP) | 100°C (cP) | % Canvi |
|---|---|---|---|---|
| Aigua | 1.0 | 0.55 | 0.28 | -72% |
| Oli SAE 10W-30 | 200 | 80 | 15 | -92% |
| Glicerina | 1412 | 152 | 22 | -98% |
| Mel | 10,000 | 1,000 | 100 | -99% |
| Oli d'engranatges SAE 90 | 750 | 150 | 30 | -96% |
Referència Completa de Conversió d'Unitats
Totes les conversions d'unitats de viscositat amb fórmules precises. Recordeu: Les viscositats dinàmica i cinemàtica NO ES PODEN convertir sense la densitat del fluid.
Conversions de Viscositat Dinàmica
Base Unit: Pascal segon (Pa·s)
Aquestes unitats mesuren la resistència absoluta a l'esforç tallant. Totes es converteixen linealment.
| Des de | A | Fórmula | Exemple |
|---|---|---|---|
| Pa·s | Poise (P) | P = Pa·s × 10 | 1 Pa·s = 10 P |
| Pa·s | Centipoise (cP) | cP = Pa·s × 1000 | 1 Pa·s = 1000 cP |
| Poise | Pa·s | Pa·s = P / 10 | 10 P = 1 Pa·s |
| Poise | Centipoise | cP = P × 100 | 1 P = 100 cP |
| Centipoise | Pa·s | Pa·s = cP / 1000 | 1000 cP = 1 Pa·s |
| Centipoise | mPa·s | mPa·s = cP × 1 | 1 cP = 1 mPa·s (idèntics) |
| Reyn | Pa·s | Pa·s = reyn × 6894.757 | 1 reyn = 6894.757 Pa·s |
| lb/(ft·s) | Pa·s | Pa·s = lb/(ft·s) × 1.488164 | 1 lb/(ft·s) = 1.488 Pa·s |
Conversions de Viscositat Cinemàtica
Base Unit: Metre quadrat per segon (m²/s)
Aquestes unitats mesuren la velocitat de flux sota gravetat (viscositat dinàmica ÷ densitat). Totes es converteixen linealment.
| Des de | A | Fórmula | Exemple |
|---|---|---|---|
| m²/s | Stokes (St) | St = m²/s × 10,000 | 1 m²/s = 10,000 St |
| m²/s | Centistokes (cSt) | cSt = m²/s × 1,000,000 | 1 m²/s = 1,000,000 cSt |
| Stokes | m²/s | m²/s = St / 10,000 | 10,000 St = 1 m²/s |
| Stokes | Centistokes | cSt = St × 100 | 1 St = 100 cSt |
| Centistokes | m²/s | m²/s = cSt / 1,000,000 | 1,000,000 cSt = 1 m²/s |
| Centistokes | mm²/s | mm²/s = cSt × 1 | 1 cSt = 1 mm²/s (idèntics) |
| ft²/s | m²/s | m²/s = ft²/s × 0.09290304 | 1 ft²/s = 0.0929 m²/s |
Conversions d'Estàndards Industrials (a Cinemàtica)
Les fórmules empíriques converteixen el temps d'eflux (segons) a viscositat cinemàtica (cSt). Són aproximades i depenen de la temperatura.
| Càlcul | Fórmula | Exemple |
|---|---|---|
| Saybolt Universal a cSt | cSt = 0.226 × SUS - 195/SUS (per a SUS > 32) | 100 SUS = 20.65 cSt |
| cSt a Saybolt Universal | SUS = (cSt + √(cSt² + 4×195×0.226)) / (2×0.226) | 20.65 cSt = 100 SUS |
| Redwood No. 1 a cSt | cSt = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (per a RW1 > 34) | 100 RW1 = 24.21 cSt |
| cSt a Redwood No. 1 | RW1 = (cSt + √(cSt² + 4×179×0.26)) / (2×0.26) | 24.21 cSt = 100 RW1 |
| Graus Engler a cSt | cSt = 7.6 × °E - 6.0/°E (per a °E > 1.2) | 5 °E = 36.8 cSt |
| cSt a Graus Engler | °E = (cSt + √(cSt² + 4×6.0×7.6)) / (2×7.6) | 36.8 cSt = 5 °E |
Conversió Dinàmica ↔ Cinemàtica (Requereix Densitat)
Aquestes conversions requereixen conèixer la densitat del fluid a la temperatura de mesura.
| Càlcul | Fórmula | Exemple |
|---|---|---|
| Dinàmica a Cinemàtica | ν (m²/s) = μ (Pa·s) / ρ (kg/m³) | μ=0.001 Pa·s, ρ=1000 kg/m³ → ν=0.000001 m²/s |
| Cinemàtica a Dinàmica | μ (Pa·s) = ν (m²/s) × ρ (kg/m³) | ν=0.000001 m²/s, ρ=1000 kg/m³ → μ=0.001 Pa·s |
| cP a cSt (comú) | cSt = cP / (ρ en g/cm³) | 100 cP, ρ=0.9 g/cm³ → 111 cSt |
| Aproximació per a l'aigua | Per a aigua prop de 20°C: cSt ≈ cP (ρ≈1) | Aigua: 1 cP ≈ 1 cSt (dins del 0.2%) |
Preguntes Freqüents
Quina és la diferència entre la viscositat dinàmica i la cinemàtica?
La viscositat dinàmica (Pa·s, poise) mesura la resistència interna del fluid a l'esforç tallant—el seu 'gruix' absolut. La viscositat cinemàtica (m²/s, stokes) és la viscositat dinàmica dividida per la densitat—la rapidesa amb què flueix sota l'efecte de la gravetat. Necessiteu la densitat per convertir entre elles: ν = μ/ρ. Penseu-ho d'aquesta manera: la mel té una alta viscositat dinàmica (és espessa), però el mercuri també té una alta viscositat cinemàtica tot i ser 'prim' (perquè és molt dens).
Puc convertir centipoise (cP) a centistokes (cSt)?
No sense conèixer la densitat del fluid a la temperatura de mesura. Per a l'aigua prop de 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (perquè la densitat de l'aigua és ≈ 1 g/cm³). Però per a l'oli de motor (densitat ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. El nostre convertidor bloqueja les conversions de tipus creuat per evitar errors. Utilitzeu aquesta fórmula: cSt = cP / (densitat en g/cm³).
Per què el meu oli de motor diu '10W-30'?
Els graus de viscositat SAE especifiquen rangs de viscositat cinemàtica. '10W' significa que compleix els requisits de flux a baixa temperatura (W = winter, provat a 0°F). '30' significa que compleix els requisits de viscositat a alta temperatura (provat a 212°F). Els olis multigrau (com 10W-30) utilitzen additius per mantenir la viscositat a través de les temperatures, a diferència dels olis monograu (SAE 30) que s'aprimen dràsticament en escalfar-se.
Com es relacionen els Segons Saybolt amb els centistokes?
Els Segons Universals Saybolt (SUS) mesuren quant de temps triguen 60 ml de fluid a drenar-se a través d'un orifici calibrat. La fórmula empírica és: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (per a SUS > 32). Per exemple, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS encara s'utilitza en les especificacions del petroli tot i ser un mètode més antic. Els laboratoris moderns utilitzen viscosímetres cinemàtics que mesuren directament cSt segons ASTM D445.
Per què la viscositat disminueix amb la temperatura?
Una temperatura més alta dóna a les molècules més energia cinètica, permetent-los lliscar més fàcilment les unes sobre les altres. Per als líquids, la viscositat normalment baixa un 2-10% per °C. L'oli de motor a 20°C pot ser de 200 cP però només 15 cP a 100°C (una disminució de 13 vegades!). L'Índex de Viscositat (VI) mesura aquesta sensibilitat a la temperatura: els olis d'alt VI (100+) mantenen millor la viscositat, els de baix VI (<50) s'aprimen dràsticament en escalfar-se.
Quina viscositat hauria d'utilitzar per al meu sistema hidràulic?
La majoria dels sistemes hidràulics funcionen millor a 25-50 cSt @ 40°C. Massa baixa (<10 cSt) causa fuites internes i desgast. Massa alta (>100 cSt) causa una resposta lenta, un alt consum d'energia i acumulació de calor. Comproveu les especificacions del fabricant de la vostra bomba—les bombes de paletes prefereixen 25-35 cSt, les bombes de pistó toleren 35-70 cSt. L'ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) és l'oli hidràulic d'ús general més comú.
Hi ha una viscositat màxima?
No hi ha un màxim teòric, però les mesures pràctiques es tornen difícils per sobre d'1 milió de cP (1000 Pa·s). El betum/quitrà pot arribar a 100 mil milions de Pa·s. Algunes foses de polímer superen 1 milió de Pa·s. A viscositats extremes, la frontera entre líquid i sòlid es difumina—aquests materials exhibeixen tant flux viscós (com els líquids) com recuperació elàstica (com els sòlids), anomenat viscoelasticitat.
Per què algunes unitats porten el nom de persones?
El poise honora Jean Léonard Marie Poiseuille (dècada de 1840), que va estudiar el flux sanguini als capil·lars. L'stokes honora George Gabriel Stokes (dècada de 1850), que va derivar les equacions per al flux viscós i va demostrar la relació entre la viscositat dinàmica i la cinemàtica. Un reyn (lliura-força segon per polzada quadrada) porta el nom d'Osbourne Reynolds (dècada de 1880), famós pel nombre de Reynolds en la dinàmica de fluids.
Directori Complet d'Eines
Totes les 71 eines disponibles a UNITS