Viscositeit

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
De vloeistof onderaan heeft een hogere viscositeit dan de vloeistof bovenaan en zal dus meer weerstand bieden tegen externe vervorming (het vallende blokje).

Viscositeit of stroperigheid is een fysische materiaaleigenschap, die de traagvloeibaarheid of stroperigheid van een vloeistof of van een gas weergeeft. Preciezer uitgedrukt: het is 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. Vloeistoffen met een hoge viscositeit worden viskeus genoemd. Het vloeigedrag van stoffen wordt bestudeerd in de reologie.

De naam viscositeit is afgeleid van de Latijnse naam voor de maretak, viscum album, waarvan in vroegere tijden vogellijm werd gemaakt.

Definitie[bewerken]

Neem twee evenwijdige platen op een afstand dy, met een vloeistof ertussen. Als de platen ten opzichte van elkaar zijdelings schuiven ontstaat er een snelheidsgradiënt dv/dy tussen de platen. Daarvoor is een kracht nodig, of beter: een schuifspanning τ, gedefinieerd als de kracht gedeeld door de oppervlakte, met als eenheid Pascal. Bij Newtonse vloeistoffen is de schuifspanning evenredig met de snelheidsgradiënt:

 \tau_{yx} = \eta {\mathrm{d}v_x \over \mathrm{d}y}

Hierin is η de viscositeit van de vloeistof (hiervoor wordt ook wel het symbool μ gebruikt). De eenheid van viscositeit is de pascal-seconde (Pa·s) (equivalent aan N·s/m2 of kg/(m·s)).

De bovenstaande relatie, bekend als de viscositeitswet van Newton, is alleen geldig bij laminaire stroming, dus als de snelheidsgradiënten klein genoeg zijn. Bij te hoge stroomsnelheid ontstaat turbulentie, en dan verdwijnt de lineaire relatie tussen snelheidsgradiënt en schuifspanning.

Illustratie van de viscositeit. Plaat B beweegt ten opzichte van plaat A. De kracht die hiervoor nodig is, is evenredig met de schuifspanning van de vloeistof tussen de platen.

Voorbeelden en eigenschappen[bewerken]

Om de viscositeit van vloeistoffen ten opzichte van water te vergelijken gebruikt men de eenheid pascal-seconde (Pa·s). Soms wordt een pascal-seconde wel een poiseuille genoemd. 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. 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 viskeuzer.

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[bewerken]

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. Dit heet de kinematische bepaling. Een vaak gebruikte viscosimeter is de Ubbelohde-buis of de Cannon Fenske-buis. De meest geaccepteerde standaard die deze meting beschrijft is de ASTM D445. De ASTM D446 beschrijft de meest geaccepteerde soorten capillairen.

Bij de D445 is ca 50 mL monster nodig voor de bepaling. Om niet-doorzichte vloeistof te meten kan de omgekeerde flow worden toegepast. Hierbij zuigt men de vloeistof aan via de bovenkant van het capillair. Vervolgens wordt het capillair omgedraaid en stroomt de vloeistof naar beneden.

De D445 omschrijft correcties die moeten worden toegepast zoals die voor de zwaartekracht. Kinematische bepaling is zeer nauwkeurig. Een nauwkeurigheid van beter dan 0,3% is mogelijk. Temperatuurveranderingen tijdens de meting beïnvloeden al snel de meting. Daarom wordt de meting uitgevoerd in een vloeistofbad dat nauwkeurig op temperatuur gehouden wordt. Bij laagviskeuze soorten (<100 cSt) geeft een temperatuur verandering van 0,02 °C een afwijking van 0,7%.

De ASTM D7279 beschrijft het type Houillon dat is gebaseerd op kleinere hoeveelheden. Hierbij stroomt het monster rechtstreeks van boven naar beneden door het capillair zonder eerst te worden opgevangen in een buffer ruimte. De Houillon-methode vergt echter kunde m.b.t. het injecteren van het monster en is minder nauwkeurig (2%) dan de D445-methode.

2. Met 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 viskeuze 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)[bewerken]

η = dynamische viscositeit (Pa·s), of in SI-basiseenheden kg·m-1·s-1

η = K . (p1 - p2) . t

η = dynamische viscositeit in cP K = kogelconstante in cP.cm3/(g.s) ρ 1 = dichtheid van de kogel in g/cm3. ρ 2 = dichtheid van de vloeistof waarvan je de viscositeit wel bepalen in g/cm3. t = looptijd van de kogel in seconden.

Kinematische viscositeit (m2/s)[bewerken]

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

 \nu = {\eta \over \rho}

Hierin is

ν = kinematische viscositeit (m2/s)
η = dynamische viscositeit (Pa·s)
ρ = dichtheid (kg/m3)

Eenheden[bewerken]

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

Enkele oude eenheden zijn:

  • 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). Dat is ongeveer de viscositeit van water.

Een oude eenheid voor kinematische viscositeit is:

  • stokes: 1 St = 1 cm2/s
  • centistokes: 1 cSt = 0.01 St = 1 mm2/s

Omrekenfactoren voor andere oude eenheden:

  • 1 lb/ft·h = 413.3789 μPa·s
  • 1 lbf·h/ft2 = 172.369 kPa·s
  • 1 lbf·s/ft3 = 157.0875 Pa·s/m
  • 1 Reynolds (Reyn) = lbf·s/in2 = 6894.757 Pa·s

Enkele viscositeitswaarden[bewerken]

Substantie Dynamische viscositeit [mPa·s]
Water (20 °C) 1,0
Water (25 °C) 0,891
Petroleum 0,65
n-pentaan (25 °C) 0,224
n-hexaan 0,320
n-heptaan 0,410
Octaan 0,538
Nonaan 0,711
Chloroform 0,56
Decaan 0,920
Ethanol 1,19
Benzeen (25 °C) 0,601
Glycerol 1480
Verf ~ 102
Paraffineolie 102 tot 106
Gesmolten kunststof 103 tot 1013
Bitumen ~ 1011
Asfalt ~ 105
Kwik 1,55
Glas (verwerkingstemperatuur) ~ 102 tot 104
Glas (kamertemperatuur) ~ 1018 tot 1020
Bloed (37°C) 4 tot 25
Druivensap 2 tot 5
Olijfolie ~ 102
Honing ~ 104
Stroop ~ 105
Room ~ 10
Natriumchloride ~ 1013 tot 1018

Bulkviscositeit[bewerken]

Het bovenstaande is een vereenvoudigde benadering die geldig is voor stromingen waarbij het fluïdum niet wordt samengedrukt. In het algemeen kunnen we een stroming ontbinden in een deel dat geen verandering van volume teweegbrengt, en een deel dat dat wel doet. Dat laatste deel is bijvoorbeeld belangrijk bij het beschrijven van geluidsgolven. De hierboven beschreven viscositeit (de afschuifviscositeit) heeft betrekking op stromingen waarbij het fluïdum niet wordt samengedrukt of uitzet, maar er is ook een bulkviscositeit of tweede viscositeit die de spanning beschrijft ten gevolge van stromingen die de vloeistof samendrukken of doen uitzetten, zoals in het geval van geluidsgolven. Merk overigens op dat in dat geval doorgaans ook een verandering in de druk plaatsvindt.

De bulkviscositeit is doorgaans veel groter dan de afschuifviscositeit, en voor vloeistofstromingen kan men vaak aannemen dat de vloeistof onsamendrukbaar is, waardoor de bulkviscositeit irrelevant wordt. Ook de beschrijving in termen van twee viscositeiten gaat nog steeds alleen op voor het geval van een Newtonse vloeistof.

Zie ook[bewerken]