Đo lường khả năng chống lại ứng suất cắt bên trong

Độ nhớt động (còn gọi là độ nhớt tuyệt đối) định lượng lực cần thiết để di chuyển một lớp chất lỏng qua một lớp khác. Đây là thuộc tính nội tại của chính chất lỏng, độc lập với khối lượng riêng. Giá trị cao hơn có nghĩa là khả năng chống lại lớn hơn.

Công thức: τ = μ × (du/dy) trong đó τ = ứng suất cắt, du/dy = gradient vận tốc

Đơn vị: Pa·s (SI), poise (P), centipoise (cP). Nước @ 20°C = 1.002 cP

Độ nhớt động chia cho khối lượng riêng

Độ nhớt động học đo lường tốc độ chảy của chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực. Nó tính đến cả khả năng chống lại bên trong (độ nhớt động) và khối lượng trên một đơn vị thể tích (khối lượng riêng). Được sử dụng khi dòng chảy do trọng lực gây ra là quan trọng, chẳng hạn như khi xả dầu hoặc đổ chất lỏng.

Công thức: ν = μ / ρ trong đó μ = độ nhớt động, ρ = khối lượng riêng

Đơn vị: m²/s (SI), stokes (St), centistokes (cSt). Nước @ 20°C = 1.004 cSt

• μ (động) = 1.002 cP = 0.001002 Pa·s
• ρ (khối lượng riêng) = 998.2 kg/m³
• ν (động học) = μ/ρ = 1.004 cSt = 1.004 mm²/s
• Tỷ lệ: ν/μ ≈ 1.0 (nước là tham chiếu)

• μ (động) = 62 cP = 0.062 Pa·s
• ρ (khối lượng riêng) = 850 kg/m³
• ν (động học) = μ/ρ = 73 cSt = 73 mm²/s
• Lưu ý: Động học cao hơn 18% so với động (do khối lượng riêng thấp hơn)

• μ (động) = 1,412 cP = 1.412 Pa·s
• ρ (khối lượng riêng) = 1,261 kg/m³
• ν (động học) = μ/ρ = 1,120 cSt = 1,120 mm²/s
• Lưu ý: Rất nhớt—đặc hơn nước 1,400 lần

• μ (động) = 0.0181 cP = 1.81×10⁻⁵ Pa·s
• ρ (khối lượng riêng) = 1.204 kg/m³
• ν (động học) = μ/ρ = 15.1 cSt = 15.1 mm²/s
• Lưu ý: Động thấp, động học cao (khí có khối lượng riêng thấp)

Tiêu chuẩn ASTM D88, được sử dụng rộng rãi ở Bắc Mỹ cho các sản phẩm dầu mỏ

ν(cSt) = 0.226 × SUS - 195/SUS (hợp lệ cho SUS > 32)

• Đo ở nhiệt độ cụ thể: 100°F (37.8°C) hoặc 210°F (98.9°C)
• Phạm vi phổ biến: 31-1000+ SUS
• Ví dụ: Dầu SAE 30 ≈ 300 SUS @ 100°F
• Biến thể Saybolt Furol (SFS) cho các chất lỏng rất nhớt: lỗ lớn hơn ×10

Tiêu chuẩn Anh IP 70, phổ biến ở Anh và các nước thuộc Khối thịnh vượng chung cũ

ν(cSt) = 0.26 × RW1 - 179/RW1 (hợp lệ cho RW1 > 34)

• Đo ở 70°F (21.1°C), 100°F hoặc 140°F
• Biến thể Redwood số 2 cho các chất lỏng đặc hơn
• Chuyển đổi: RW1 ≈ SUS × 1.15 (xấp xỉ)
• Phần lớn được thay thế bằng các tiêu chuẩn ISO nhưng vẫn được tham chiếu trong các thông số kỹ thuật cũ hơn

Tiêu chuẩn Đức DIN 51560, được sử dụng ở châu Âu và ngành công nghiệp dầu mỏ

ν(cSt) = 7.6 × °E - 6.0/°E (hợp lệ cho °E > 1.2)

• Đo ở 20°C, 50°C hoặc 100°C
• °E = 1.0 cho nước @ 20°C (theo định nghĩa)
• Phạm vi phổ biến: 1.0-20°E
• Ví dụ: Nhiên liệu diesel ≈ 3-5°E @ 20°C

Thí nghiệm phòng thí nghiệm dài nhất thế giới (từ năm 1927) tại Đại học Queensland cho thấy nhựa đường (hắc ín) chảy qua một cái phễu. Nó trông có vẻ rắn nhưng thực chất là một chất lỏng có độ nhớt cực cao—nhớt hơn nước 100 tỷ lần! Chỉ có 9 giọt rơi xuống trong 94 năm.

Dung nham bazan (độ nhớt thấp, 10-100 Pa·s) tạo ra các vụ phun trào nhẹ nhàng kiểu Hawaii với các dòng sông chảy. Dung nham rhyolit (độ nhớt cao, 100,000+ Pa·s) tạo ra các vụ phun trào nổ kiểu núi St. Helens vì khí không thể thoát ra. Độ nhớt thực sự định hình các ngọn núi lửa.

Máu nhớt hơn nước 3-4 lần (3-4 cP @ 37°C) do các tế bào hồng cầu. Độ nhớt máu cao làm tăng nguy cơ đột quỵ/nhồi máu cơ tim. Aspirin liều thấp làm giảm độ nhớt bằng cách ngăn chặn sự kết tụ của tiểu cầu. Xét nghiệm độ nhớt máu có thể dự đoán bệnh tim mạch.

Trái ngược với lầm tưởng phổ biến, các cửa sổ cũ không dày hơn ở phía dưới do dòng chảy. Độ nhớt của thủy tinh ở nhiệt độ phòng là 10²⁰ Pa·s (một nghìn tỷ tỷ lần so với nước). Để chảy được 1 mm sẽ mất nhiều thời gian hơn tuổi của vũ trụ. Nó là một chất rắn thực sự, không phải là một chất lỏng chảy chậm.

SAE 10W-30 có nghĩa là: 10W = độ nhớt mùa đông @ 0°F (dòng chảy ở nhiệt độ thấp), 30 = độ nhớt @ 212°F (bảo vệ ở nhiệt độ hoạt động). 'W' là viết tắt của mùa đông (winter), không phải trọng lượng (weight). Dầu đa cấp sử dụng các polyme cuộn lại khi lạnh (độ nhớt thấp) và nở ra khi nóng (duy trì độ nhớt).

Bọ nước khai thác sức căng bề mặt, nhưng cũng tận dụng độ nhớt của nước. Các chuyển động của chân chúng tạo ra các xoáy đẩy ngược lại lực cản nhớt, đẩy chúng về phía trước. Trong một chất lỏng có độ nhớt bằng không (lý thuyết), chúng sẽ không thể di chuyển—chúng sẽ trượt đi mà không có lực bám.

Isaac Newton mô tả độ nhớt trong Principia Mathematica. Giới thiệu khái niệm 'ma sát trong' trong chất lỏng.

Jean Poiseuille nghiên cứu dòng chảy của máu trong mao mạch. Rút ra Định luật Poiseuille liên hệ giữa tốc độ dòng chảy và độ nhớt.

George Stokes rút ra các phương trình cho dòng chảy nhớt. Chứng minh mối quan hệ giữa độ nhớt động và động học.

Osborne Reynolds giới thiệu số Reynolds. Liên hệ độ nhớt với chế độ dòng chảy (dòng chảy tầng và dòng chảy rối).

Máy đo độ nhớt Saybolt được tiêu chuẩn hóa ở Mỹ. Phương pháp cốc chảy trở thành tiêu chuẩn của ngành dầu khí.

Poise và stokes được đặt tên là đơn vị CGS. 1 P = 0.1 Pa·s, 1 St = 1 cm²/s trở thành tiêu chuẩn.

Thí nghiệm giọt nhựa đường bắt đầu tại Đại học Queensland. Vẫn đang diễn ra—thí nghiệm phòng thí nghiệm dài nhất từ trước đến nay.

SI chấp nhận Pa·s và m²/s làm đơn vị tiêu chuẩn. Centipoise (cP) và centistokes (cSt) vẫn còn phổ biến.

ASTM D445 tiêu chuẩn hóa việc đo độ nhớt động học. Máy đo độ nhớt mao dẫn trở thành tiêu chuẩn công nghiệp.

Máy đo độ nhớt quay cho phép đo các chất lỏng phi Newton. Quan trọng đối với sơn, polyme, thực phẩm.

Máy đo độ nhớt kỹ thuật số tự động hóa việc đo lường. Bể điều nhiệt đảm bảo độ chính xác đến ±0.01 cSt.

Lựa chọn dầu động cơ, chất lỏng thủy lực và bôi trơn ổ trục:

• Cấp độ SAE: 10W-30 có nghĩa là 10W @ 0°F, 30 @ 212°F (phạm vi độ nhớt động học)
• Cấp độ ISO VG: VG 32, VG 46, VG 68 (độ nhớt động học @ 40°C tính bằng cSt)
• Lựa chọn ổ trục: Quá loãng = mài mòn, quá đặc = ma sát/nhiệt
• Chỉ số độ nhớt (VI): Đo lường độ nhạy cảm với nhiệt độ (càng cao càng tốt)
• Dầu đa cấp: Phụ gia duy trì độ nhớt ở các nhiệt độ khác nhau
• Hệ thống thủy lực: Thông thường 32-68 cSt @ 40°C để có hiệu suất tối ưu

Thông số kỹ thuật về độ nhớt của nhiên liệu, dầu thô và quá trình lọc dầu:

• Dầu nhiên liệu nặng: Đo bằng cSt @ 50°C (phải được làm nóng để bơm)
• Dầu diesel: 2-4.5 cSt @ 40°C (thông số EN 590)
• Phân loại dầu thô: Nhẹ (<10 cSt), trung bình, nặng (>50 cSt)
• Dòng chảy trong đường ống: Độ nhớt quyết định yêu cầu về công suất bơm
• Cấp độ nhiên liệu hầm lò: IFO 180, IFO 380 (cSt @ 50°C)
• Quá trình lọc dầu: Phá vỡ độ nhớt làm giảm các phân đoạn nặng

Kiểm soát chất lượng và tối ưu hóa quy trình:

• Phân loại mật ong: 2,000-10,000 cP @ 20°C (tùy thuộc vào độ ẩm)
• Độ đặc của siro: Siro cây phong 150-200 cP, siro ngô 2,000+ cP
• Sản phẩm sữa: Độ nhớt của kem ảnh hưởng đến kết cấu và cảm giác trong miệng
• Sô cô la: 10,000-20,000 cP @ 40°C (quy trình ủ)
• Quá trình cacbonat hóa đồ uống: Độ nhớt ảnh hưởng đến sự hình thành bọt
• Dầu ăn: 50-100 cP @ 20°C (điểm bốc khói có tương quan với độ nhớt)

Sơn, chất kết dính, polyme và kiểm soát quy trình:

• Độ nhớt của sơn: 70-100 KU (đơn vị Krebs) để đảm bảo độ đồng nhất khi thi công
• Lớp phủ phun: Thông thường 20-50 cP (quá đặc gây tắc nghẽn, quá loãng gây chảy)
• Chất kết dính: 500-50,000 cP tùy thuộc vào phương pháp thi công
• Polyme nóng chảy: 100-100,000 Pa·s (đùn/đúc)
• Mực in: 50-150 cP cho in flexo, 1-5 P cho in offset
• Kiểm soát chất lượng: Độ nhớt cho biết tính nhất quán của lô và thời hạn sử dụng

Độ nhớt động (Pa·s, poise) đo lường khả năng chống lại lực cắt bên trong của chất lỏng—độ 'đặc' tuyệt đối của nó. Độ nhớt động học (m²/s, stokes) là độ nhớt động chia cho khối lượng riêng—tốc độ chảy của nó dưới tác dụng của trọng lực. Bạn cần khối lượng riêng để chuyển đổi giữa hai loại này: ν = μ/ρ. Hãy nghĩ về nó như thế này: mật ong có độ nhớt động cao (nó đặc), nhưng thủy ngân cũng có độ nhớt động học cao mặc dù nó 'loãng' (vì nó rất đặc).

Không thể nếu không biết khối lượng riêng của chất lỏng ở nhiệt độ đo. Đối với nước gần 20°C, 1 cP ≈ 1 cSt (vì khối lượng riêng của nước ≈ 1 g/cm³). Nhưng đối với dầu động cơ (khối lượng riêng ≈ 0.9), 90 cP = 100 cSt. Bộ chuyển đổi của chúng tôi chặn các chuyển đổi chéo loại để tránh sai sót. Sử dụng công thức này: cSt = cP / (khối lượng riêng tính bằng g/cm³).

Cấp độ nhớt SAE chỉ định các phạm vi độ nhớt động học. '10W' có nghĩa là nó đáp ứng các yêu cầu về dòng chảy ở nhiệt độ thấp (W = winter, được kiểm tra ở 0°F). '30' có nghĩa là nó đáp ứng các yêu cầu về độ nhớt ở nhiệt độ cao (được kiểm tra ở 212°F). Dầu đa cấp (như 10W-30) sử dụng các chất phụ gia để duy trì độ nhớt ở các nhiệt độ khác nhau, không giống như dầu đơn cấp (SAE 30) bị loãng ra đáng kể khi nóng lên.

Giây Saybolt Phổ thông (SUS) đo thời gian cần thiết để 60mL chất lỏng chảy qua một lỗ đã được hiệu chuẩn. Công thức thực nghiệm là: cSt = 0.226×SUS - 195/SUS (cho SUS > 32). Ví dụ, 100 SUS ≈ 21 cSt. SUS vẫn được sử dụng trong các thông số kỹ thuật dầu mỏ mặc dù là một phương pháp cũ hơn. Các phòng thí nghiệm hiện đại sử dụng các máy đo độ nhớt động học đo trực tiếp cSt theo tiêu chuẩn ASTM D445.

Nhiệt độ cao hơn cung cấp cho các phân tử nhiều năng lượng động học hơn, cho phép chúng trượt qua nhau dễ dàng hơn. Đối với chất lỏng, độ nhớt thường giảm 2-10% mỗi °C. Dầu động cơ ở 20°C có thể là 200 cP nhưng chỉ 15 cP ở 100°C (giảm 13 lần!). Chỉ số Độ nhớt (VI) đo lường độ nhạy cảm với nhiệt độ này: dầu có VI cao (100+) duy trì độ nhớt tốt hơn, dầu có VI thấp (<50) bị loãng ra đáng kể khi được làm nóng.

Hầu hết các hệ thống thủy lực hoạt động tốt nhất ở 25-50 cSt @ 40°C. Quá thấp (<10 cSt) gây ra rò rỉ bên trong và mài mòn. Quá cao (>100 cSt) gây ra phản ứng chậm, tiêu thụ năng lượng cao và tích tụ nhiệt. Kiểm tra thông số kỹ thuật của nhà sản xuất máy bơm của bạn—máy bơm cánh gạt thích hợp với 25-35 cSt, máy bơm pít-tông chịu được 35-70 cSt. ISO VG 46 (46 cSt @ 40°C) là loại dầu thủy lực đa dụng phổ biến nhất.

Không có giá trị tối đa trên lý thuyết, nhưng các phép đo thực tế trở nên khó khăn trên 1 triệu cP (1000 Pa·s). Bitum/nhựa đường có thể đạt tới 100 tỷ Pa·s. Một số polyme nóng chảy vượt quá 1 triệu Pa·s. Ở các độ nhớt cực cao, ranh giới giữa chất lỏng và chất rắn trở nên mờ nhạt—những vật liệu này thể hiện cả dòng chảy nhớt (như chất lỏng) và phục hồi đàn hồi (như chất rắn), được gọi là độ nhớt đàn hồi.

Poise vinh danh Jean Léonard Marie Poiseuille (những năm 1840), người đã nghiên cứu dòng chảy của máu trong mao mạch. Stokes vinh danh George Gabriel Stokes (những năm 1850), người đã rút ra các phương trình cho dòng chảy nhớt và chứng minh mối quan hệ giữa độ nhớt động và động học. Một reyn (pound-lực giây trên inch vuông) được đặt theo tên của Osbourne Reynolds (những năm 1880), nổi tiếng với số Reynolds trong động lực học chất lỏng.