A nyírófeszültséggel szembeni belső ellenállást méri

A dinamikus viszkozitás (más néven abszolút viszkozitás) számszerűsíti, hogy mennyi erő szükséges egy folyadékréteg elmozdításához egy másik felett. Ez a folyadék belső tulajdonsága, függetlenül a sűrűségétől. A magasabb értékek nagyobb ellenállást jelentenek.

Képlet: τ = μ × (du/dy), ahol τ = nyírófeszültség, du/dy = sebességgradiens

Mértékegységek: Pa·s (SI), poise (P), centipoise (cP). Víz @ 20°C = 1.002 cP

Dinamikus viszkozitás osztva a sűrűséggel

A kinematikai viszkozitás azt méri, hogy egy folyadék milyen gyorsan áramlik a gravitáció hatására. Figyelembe veszi mind a belső ellenállást (dinamikus viszkozitás), mind a térfogategységre eső tömeget (sűrűség). Akkor használják, ha a gravitáció által vezérelt áramlás fontos, mint például az olaj leeresztése vagy a folyadék öntése.

Képlet: ν = μ / ρ, ahol μ = dinamikus viszkozitás, ρ = sűrűség

Mértékegységek: m²/s (SI), stokes (St), centistokes (cSt). Víz @ 20°C = 1.004 cSt

• μ (dinamikus) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (sűrűség) = 998.2 kg/m³
• ν (kinematikai) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Arány: ν/μ ≈ 1.0 (a víz a referencia)

• μ (dinamikus) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (sűrűség) = 850 kg/m³
• ν (kinematikai) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Megjegyzés: A kinematikai 18%-kal magasabb, mint a dinamikus (az alacsonyabb sűrűség miatt)

• μ (dinamikus) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (sűrűség) = 1,261 kg/m³
• ν (kinematikai) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Megjegyzés: Nagyon viszkózus – 1,400-szor sűrűbb, mint a víz

• μ (dinamikus) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (sűrűség) = 1.204 kg/m³
• ν (kinematikai) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Megjegyzés: Alacsony dinamikus, magas kinematikai (a gázoknak alacsony a sűrűsége)

ASTM D88 szabvány, Észak-Amerikában széles körben használják kőolajtermékekhez

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (SUS > 32 esetén érvényes)

• Meghatározott hőmérsékleteken mérik: 100°F (37.8°C) vagy 210°F (98.9°C)
• Gyakori tartomány: 31-1000+ SUS
• Példa: SAE 30 olaj ≈ 300 SUS @ 100°F
• Saybolt Furol (SFS) változat nagyon viszkózus folyadékokhoz: ×10-szer nagyobb nyílás

Brit IP 70 szabvány, elterjedt az Egyesült Királyságban és a volt Nemzetközösségben

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (RW1 > 34 esetén érvényes)

• Mérve 70°F (21.1°C), 100°F vagy 140°F-on
• Redwood No. 2 változat sűrűbb folyadékokhoz
• Átváltás: RW1 ≈ SUS × 1.15 (hozzávetőleges)
• Nagyjából felváltották az ISO szabványok, de régebbi specifikációkban még mindig hivatkoznak rá

DIN 51560 német szabvány, Európában és a kőolajiparban használják

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (°E > 1.2 esetén érvényes)

• Mérve 20°C, 50°C vagy 100°C-on
• °E = 1.0 víz esetén @ 20°C (definíció szerint)
• Gyakori tartomány: 1.0-20°E
• Példa: Dízel üzemanyag ≈ 3-5°E @ 20°C

A világ leghosszabb ideig tartó laboratóriumi kísérlete (1927 óta) a Queenslandi Egyetemen azt mutatja be, hogy a szurok (kátrány) egy tölcséren keresztül folyik. Szilárdnak tűnik, de valójában egy rendkívül magas viszkozitású folyadék – 100 milliárdszor viszkózusabb, mint a víz! 94 év alatt mindössze 9 csepp esett le.

A bazaltos láva (alacsony viszkozitás, 10-100 Pa·s) enyhe, hawaii stílusú kitöréseket hoz létre folyó folyamokkal. A riolitos láva (magas viszkozitás, 100,000+ Pa·s) robbanásveszélyes, Mount St. Helens stílusú kitöréseket okoz, mert a gázok nem tudnak kiszabadulni. A viszkozitás szó szerint formálja a vulkáni hegyeket.

A vér 3-4-szer viszkózusabb, mint a víz (3-4 cP @ 37°C) a vörösvértestek miatt. A magas vérviszkozitás növeli a stroke/szívroham kockázatát. Az alacsony dózisú aszpirin csökkenti a viszkozitást a vérlemezkék aggregációjának megakadályozásával. A vér viszkozitásának vizsgálata előre jelezheti a szív- és érrendszeri betegségeket.

A népszerű mítosszal ellentétben a régi ablakok nem vastagabbak alul az áramlás miatt. Az üveg viszkozitása szobahőmérsékleten 10²⁰ Pa·s (egy trillió trilliószorosa a vízének). 1 mm-es áramláshoz több időre lenne szükség, mint az univerzum kora. Ez egy valódi szilárd anyag, nem pedig egy lassú folyadék.

Az SAE 10W-30 jelentése: 10W = téli viszkozitás @ 0°F (alacsony hőmérsékletű áramlás), 30 = viszkozitás @ 212°F (üzemi hőmérsékleten való védelem). A 'W' a tél (winter) rövidítése, nem a súlyé (weight). A többfokozatú olajok polimereket használnak, amelyek hidegben összetekerednek (alacsony viszkozitás) és melegben kitágulnak (fenntartják a viszkozitást).

A vízi poloskák a felületi feszültséget használják ki, de a víz viszkozitását is kihasználják. Lábmozgásaik örvényeket hoznak létre, amelyek a viszkózus ellenállással szemben nyomást gyakorolnak, előre hajtva őket. Nulla viszkozitású folyadékban (elméletileg) nem tudnának mozogni – tapadás nélkül csúszkálnának.

Isaac Newton leírja a viszkozitást a Principia Mathematica-ban. Bevezeti a 'belső súrlódás' fogalmát a folyadékokban.

Jean Poiseuille a véráramlást vizsgálja a kapillárisokban. Levezeti a Poiseuille-törvényt, amely összekapcsolja az áramlási sebességet a viszkozitással.

George Stokes levezeti a viszkózus áramlás egyenleteit. Bizonyítja a dinamikus és kinematikai viszkozitás közötti kapcsolatot.

Osborne Reynolds bevezeti a Reynolds-számot. Összekapcsolja a viszkozitást az áramlási rezsimmel (lamináris vs. turbulens).

A Saybolt-viszkozimétert szabványosítják az USA-ban. A kiömlőpohár-módszer a kőolajipar szabványává válik.

A poise és a stokes CGS-mértékegységekké válnak. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s lesz a szabvány.

A szurokcsepp-kísérlet megkezdődik a Queenslandi Egyetemen. Még mindig tart – a leghosszabb laboratóriumi kísérlet.

Az SI elfogadja a Pa·s-t és a m²/s-t szabványos mértékegységként. A centipoise (cP) és a centistokes (cSt) továbbra is elterjedt.

Az ASTM D445 szabványosítja a kinematikai viszkozitás mérését. A kapilláris viszkoziméter ipari szabvánnyá válik.

A forgó viszkoziméterek lehetővé teszik a nem-newtoni folyadékok mérését. Fontos festékek, polimerek, élelmiszerek számára.

A digitális viszkoziméterek automatizálják a mérést. A hőmérséklet-szabályozott fürdők ±0.01 cSt pontosságot biztosítanak.

Motorolaj, hidraulikafolyadék és csapágykenés kiválasztása:

• SAE osztályok: 10W-30 jelentése 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (kinematikai viszkozitási tartományok)
• ISO VG osztályok: VG 32, VG 46, VG 68 (kinematikai viszkozitás @ 40°C cSt-ben)
• Csapágyválasztás: Túl híg = kopás, túl sűrű = súrlódás/hő
• Viszkozitási index (VI): A hőmérséklet-érzékenységet méri (magasabb = jobb)
• Többfokozatú olajok: Az adalékok fenntartják a viszkozitást a különböző hőmérsékleteken
• Hidraulikus rendszerek: Jellemzően 32-68 cSt @ 40°C az optimális teljesítmény érdekében

Üzemanyag, nyersolaj és finomítási viszkozitási specifikációk:

• Nehéz fűtőolaj: cSt-ben mérve @ 50°C (szivattyúzáshoz melegíteni kell)
• Dízel: 2-4.5 cSt @ 40°C (EN 590 specifikáció)
• Nyersolaj osztályozás: Könnyű (<10 cSt), közepes, nehéz (>50 cSt)
• Csővezetéki áramlás: A viszkozitás határozza meg a szivattyúzási teljesítményigényt
• Bunkerüzemanyag-osztályok: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Finomítási folyamat: A viszkozitás-törés csökkenti a nehéz frakciókat

Minőségellenőrzés és folyamatoptimalizálás:

• Méz osztályozása: 2,000-10,000 cP @ 20°C (a nedvességtartalomtól függően)
• Szörp konzisztencia: Juharszirup 150-200 cP, kukoricaszirup 2,000+ cP
• Tejtermékek: A tejszín viszkozitása befolyásolja az állagot és a szájérzetet
• Csokoládé: 10,000-20,000 cP @ 40°C (temperálási folyamat)
• Italok szénsavasítása: A viszkozitás befolyásolja a buborékképződést
• Sütőolaj: 50-100 cP @ 20°C (a füstpont korrelál a viszkozitással)

Festék, ragasztók, polimerek és folyamatirányítás:

• Festék viszkozitása: 70-100 KU (Krebs-egység) a felhordási konzisztenciához
• Szóróbevonat: Jellemzően 20-50 cP (túl sűrű eltömíti, túl híg lefolyik)
• Ragasztók: 500-50,000 cP a felhordási módtól függően
• Polimerolvadékok: 100-100,000 Pa·s (extrudálás/fröccsöntés)
• Nyomdafestékek: 50-150 cP flexográfiához, 1-5 P ofszethez
• Minőségellenőrzés: A viszkozitás jelzi a tétel konzisztenciáját és az eltarthatóságot

A dinamikus viszkozitás (Pa·s, poise) a folyadék belső ellenállását méri a nyírással szemben – az abszolút 'sűrűségét'. A kinematikai viszkozitás (m²/s, stokes) a dinamikus viszkozitás osztva a sűrűséggel – milyen gyorsan áramlik a gravitáció hatására. Az átváltáshoz szüksége van a sűrűségre: ν = μ/ρ. Gondoljon rá így: a méznek magas a dinamikus viszkozitása (sűrű), de a higanynak is magas a kinematikai viszkozitása, annak ellenére, hogy 'híg' (mert nagyon sűrű).

Nem, anélkül, hogy ismerné a folyadék sűrűségét a mérési hőmérsékleten. Víz esetén 20°C közelében 1 cP ≈ 1 cSt (mert a víz sűrűsége ≈ 1 g/cm³). De motorolaj esetén (sűrűség ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Átváltónk blokkolja a típusok közötti átváltásokat a hibák elkerülése érdekében. Használja ezt a képletet: cSt = cP / (sűrűség g/cm³-ben).

Az SAE viszkozitási osztályok a kinematikai viszkozitási tartományokat határozzák meg. A '10W' azt jelenti, hogy megfelel az alacsony hőmérsékletű áramlási követelményeknek (W = winter, 0°F-on tesztelve). A '30' azt jelenti, hogy megfelel a magas hőmérsékletű viszkozitási követelményeknek (212°F-on tesztelve). A többfokozatú olajok (mint a 10W-30) adalékokat használnak a viszkozitás fenntartására a különböző hőmérsékleteken, ellentétben az egyfokozatú olajokkal (SAE 30), amelyek drámaian elvékonyodnak melegítéskor.

A Saybolt Univerzális Másodperc (SUS) azt méri, mennyi idő alatt folyik ki 60 ml folyadék egy kalibrált nyíláson. Az empirikus képlet: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (SUS > 32 esetén). Például, 100 SUS ≈ 21 cSt. A SUS-t még mindig használják a kőolaj-specifikációkban, bár régebbi módszer. A modern laboratóriumok kinematikai viszkozimétereket használnak, amelyek közvetlenül mérik a cSt-t az ASTM D445 szerint.

A magasabb hőmérséklet több kinetikus energiát ad a molekuláknak, lehetővé téve számukra, hogy könnyebben elcsússzanak egymás mellett. Folyadékok esetében a viszkozitás jellemzően 2-10%-kal csökken °C-onként. A motorolaj 20°C-on lehet 200 cP, de 100°C-on csak 15 cP (13-szoros csökkenés!). A Viszkozitási Index (VI) ezt a hőmérséklet-érzékenységet méri: a magas VI-jű (100+) olajok jobban megőrzik viszkozitásukat, az alacsony VI-jű (<50) olajok drámaian elvékonyodnak melegítéskor.

A legtöbb hidraulikus rendszer 25-50 cSt @ 40°C között működik a legjobban. A túl alacsony (<10 cSt) belső szivárgást és kopást okoz. A túl magas (>100 cSt) lassú reakciót, magas energiafogyasztást és hőfelhalmozódást okoz. Ellenőrizze a szivattyú gyártójának specifikációját – a lapátos szivattyúk 25-35 cSt-t, a dugattyús szivattyúk 35-70 cSt-t preferálják. Az ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) a leggyakoribb általános célú hidraulikaolaj.

Nincs elméleti maximum, de a gyakorlati mérések 1 millió cP (1000 Pa·s) felett nehézkessé válnak. A bitumen/szurok elérheti a 100 milliárd Pa·s-t. Néhány polimerolvadék meghaladja az 1 millió Pa·s-t. Extrém viszkozitásoknál elmosódik a határ a folyékony és a szilárd anyag között – ezek az anyagok mind viszkózus áramlást (mint a folyadékok), mind rugalmas helyreállást (mint a szilárd anyagok) mutatnak, amit viszkoelaszticitásnak neveznek.

A poise Jean Léonard Marie Poiseuille (1840-es évek) tiszteletére van elnevezve, aki a véráramlást vizsgálta a kapillárisokban. A stokes George Gabriel Stokes (1850-es évek) tiszteletére van elnevezve, aki levezette a viszkózus áramlás egyenleteit, és bebizonyította a dinamikus és kinematikai viszkozitás közötti kapcsolatot. A reyn (font-erő másodperc per négyzethüvelyk) Osbourne Reynolds (1880-as évek) után kapta a nevét, aki a folyadékdinamikában a Reynolds-számról híres.