Viscositeit

Viscositeit is de 'stroperigheid' van een vloeistof of van een gas. Preciezer uitgedrukt: de eigenschap van een fluïdum die aangeeft in welke mate deze weerstand biedt tegen vervorming door schuifspanning. Zo is water een voorbeeld van een vloeistof met een lage viscositeit, honing een voorbeeld van een vloeistof met een hoge viscositeit. Het vloeigedrag van stoffen wordt bestudeerd in de rheologie. De naam viscositeit is afgeleid van de latijnse naam voor de maretak, waarvan in vroeger tijden 'vogellijm' werd gemaakt.

 

Definitie

vloeistof tussen schuivende platen

Stelt u zich twee evenwijdige platen voor op een afstand dx, met een vloeistof ertussen. Als de platen t.o.v. elkaar schuiven ontstaat er een snelheidsgradiënt du/dx tussen de platen. Daarvoor is een kracht nodig, of beter: een schuifspanning (τ, dit is de kracht gedeeld door de oppervlakte, met als eenheid Pa). Als de snelheidsgradiënt klein genoeg is, is de schuifspanning evenredig met de snelheidsgradiënt:

 \tau = \eta {du \over dx}  

Hierin is η de viscositeit van de vloeistof. De eenheid van viscositeit is de Poiseuille (Pa.s = Pascal * seconde).

De bovenstaande relatie is alleen geldig bij laminaire stroming, d.w.z. als de stroomsnelheid laag genoeg is. Bij te hoge stroomsnelheid ontstaat turbulentie. Dan verdwijnt de lineaire relatie tussen snelheidsgradiënt en schuifspanning.

Voorbeelden en eigenschappen

Om de viscositeit van vloeistoffen ten opzichte van water te vergelijken gebruikt men de millipoiseuille of centipoise (mPa.s). De viscositeit van water van 20 °C = 1,0020 mPa.s; bloed = 10 mPa.s; glycerine = ca. 1000 mPa.s; pindakaas = 150.000 tot 250.000 mPa.s.

Gassen hebben doorgaans een ongeveer 100 maal lagere viscositeit dan vloeistoffen. De viscositeit van gassen wordt in micropoiseulle uitgedrukt, aardgas heeft een viscositeit tussen 1000 en 1400 μPa.s.

De viscositeit van een vloeistof is sterk afhankelijk van de temperatuur: bij hogere temperaturen zijn veel vloeistoffen minder viskeus dan bij lagere temperaturen. Bij gassen is dit omgekeerd: bij hogere temperatuur wordt een gas juist meer viskeus.

Zeer stroperige vloeistoffen zoals bitumen lijken op een vaste stof, maar kunnen toch ook bij kamertemperatuur vloeigedrag vertonen. De vloeibaarheid van bitumen is aangetoond door middel van het pekdruppelexperiment. Bitumen is een belangrijk bestanddeel van asfalt en zorgt voor de visco-elastische eigenschappen van asfalt. Zo wordt de ribbelvorming die vaak optreedt voor de stopstrepen van druk bereden kruispunten met verkeerslichten verklaard door visco-elastische vervorming onder invloed van rem- en aanzetkrachten van het verkeer. Hierbij speelt ook de temperatuur een belangrijke rol, aangezien de stroperigheid van bitumen afneemt bij hogere temperaturen.

Vloeibaar helium verliest alle stroperigheid als het beneden een bepaalde temperatuur wordt afgekoeld. Deze "supervloeibare" fase heeft allerlei bijzondere eigenschappen.

Viscositeit meten

Er bestaan verschillende methoden om de viscositeit van vloeistoffen te meten:

  1. Men laat in een viscometer een afgemeten hoeveelheid van de vloeistof door een capillair stromen, en meet de tijd die daarvoor nodig is. De resultaten worden vergeleken met een controlemeting aan een vloeistof met bekende viscositeit. Zo'n vaak gebruikte viscosimeter is de Ubbelohde-meter.
  2. In een torsiebalans meet men de uitslag van een binnencilinder terwijl men de buitencilinder met een vaste snelheid ronddraait. In de annulaire (ringvormige) ruimte tussen de twee cilinders bevindt zich de vloeistof waarvan de viscositeit bepaald moet worden. Een variatie op deze cilindrische uitvoering is de kegel en plaat viscometer.
  3. Men laat een rond balletje in de vloeistof zinken. Na een zekere valtijd wordt de snelheid van de bal constant. Uit het krachtenevenwicht tussen de zwaartekracht, de opwaartse kracht en de weerstand van de vloeistof kan de viscositeit bepaald worden. Zie ook de Navier-Stokes vergelijkingen. Dit apparaat bestaat in glazen uitvoeringen, maar bestaat ook in metaal voor metingen bij verhoogde druk en temperatuur. Deze methode werkt alleen voor sterk visceuze stoffen.

Met de tweede methode kan ook de viscositeit worden vastgesteld als functie van de afschuifsnelheid: bij gewone vloeistoffen is de gemeten kracht recht evenredig met de snelheid: de viscositeit is niet afhankelijk van de snelheid (Newtoniaanse vloeistoffen). Voor sommige vloeistoffen neemt de viscositeit bij toenemende snelheid toe, voor andere vloeistoffen neemt hij af. Met de tweede methode kan ook de opslag en verlies modulus van visco-elastische vloeistoffen worden gemeten door de buiten cilinder of plaat niet met een vaste snelheid te laten ronddraaien maar door deze met wisselende frequenties te laten oscilleren.

Dynamische viscositeit (Pa.s)

μ = Dynamische viscositeit (Pa.s) in SI-basiseenheden is dat ({kg \over m.s})

Kinematische viscositeit (m2/s)

Naast de dynamische viscositeit (symbool: μ) kent men de term kinematische viscositeit (ν).

 \nu = {\mu \over \rho}  
ν = Kinematische viscositeit (m2/s)
μ = Dynamische viscositeit (Pa.s)
ρ = Dichtheid (kg/m3)

Eenheden

De SI eenheid van dynamische viscositeit is de Pascalseconde: 1 Pa.s = 1 N.s/m2= 1Pl


Enkele oude eenheden zijn de:

  • Poiseuille. 1 Pl = 1 Pa.s = 1 N.s/m2 
  • Een oude cgs eenheid voor (dynamische) viscositeit is: Poise (P) = 1 dyn.s/cm2 = 1 g/cm.s = 0,1 Pa.s. Meer gebruikelijk is de centiPoise (1 cP = 1 mPa.s). Dit is ongeveer de viscositeit van water.

Een oude eenheid voor kinematische viscositeit is: Stokes (1 St = 1 cm2/s) of centiStokes (1 cSt = 0.01 St = 1 mm2/s)

Omrekenfactoren van andere eenheden:

  1. lb/ft.h = 413.3789 μPa.s
  2. lbf.h/ft2 = 172.369 kPa.s
  3. lbf.s/ft3 = 157.0875 Pa.s/m
  4. Reynolds (Reyn) = lbf.s/in2 = 6894.757 Pa.s

Enkele waarden van viscositeiten

Substantie μ in mPa s 1)
Water (4 °C) 1,0
Water (25 °C) 0,891
Petroleum 0,65
Pentaan (25 °C) 0,224
Hexaan 0,320
Heptaan 0,410
Octaan 0,538
Nonaan 0,711
Chloroform 0,56
Decaan 0,920
Ethanol 1,19
Benzeen (25 °C) 0,601
Glycerine 1480
Verf ~ 102
Paraffineolie 102 tot 106
Gesmolten kunststof 103 tot 1013 2)
Bitumen ~ 1011
Asfalt ~ 105
Kwikzilver 1,55
Glas (Verwerkingstemperatuur) ~ 102 tot 104
Glas (Kamertemperatur) ~ 1018 tot 1020
Bloed (37 °C) 4 tot 25
Druivensap 2 tot 5
Olijfolie ~ 102
Honing ~ 104
Siroop ~ 105
Room ~ 10
Steenzout ~ 1013 tot 1018

Tensoriële viscositeit

Het bovenstaande is een vereenvoudigende benadering. Algemeen geldt tussen de hoofdspanningen σ, de druk p en de vectoriële snelheid v de betrekking:

\sigma\!\!\,\!\,\!\!\!\sigma = - p + \mathbf{\Lambda} \nabla \cdot \mathbf{v} 

Hierin is de tensor Λ ten opzichte van de hoofdassen te schrijven met de matrix:

\begin{pmatrix} \lambda + 2 \mu & \lambda & \lambda \\
\lambda & \lambda + 2 \mu& \lambda \\
\lambda & \lambda & \lambda + 2 \mu
\end{pmatrix}

De viscositeit heeft dus eigenlijk twee getallen λ en μ nodig om ze te beschrijven in plaats van één.

 

Zie onze Product Pagina's voor Viscositeitsmeters

 

 

Ankersmid M&C bvba,         Neerlandweg 21, B-2610 Wilrijk,        :  info@ankersmid-mc.be,  : (32) - 3/820 80 01,