Cos'è la viscosità?

La viscosità di un fluido è una misura della sua resistenza al flusso. Descrive l'attrito interno di un fluido in movimento. I fluidi viscosi resistono al movimento perché la loro composizione molecolare crea molto attrito interno. I fluidi a bassa viscosità scorrono facilmente perché la loro composizione molecolare crea poco attrito quando sono in movimento.

A livello molecolare, la viscosità è causata dalle interazioni tra diverse molecole in un fluido. Questo può anche essere considerato attrito tra le molecole. Proprio come nel caso dell'attrito tra solidi in movimento, la viscosità determinerà l'energia richiesta per far fluire un fluido.

Il modo migliore per visualizzare questo è attraverso un esempio. Considera una tazza di polistirolo con un foro sul fondo. Noto che la tazza drena molto lentamente quando ci versiamo dentro il miele. Questo perché la viscosità del miele è relativamente alta rispetto ad altri liquidi. Quando riempiamo d'acqua la stessa tazza, ad esempio, l'acqua si svuoterà molto più rapidamente. Un fluido a bassa viscosità è detto "sottile", mentre un fluido ad alta viscosità è detto "denso". È più facile muoversi attraverso un fluido a bassa viscosità (come l'acqua) rispetto a un fluido ad alta viscosità (come il miele).

Fattori che influenzano la viscosità

La viscosità è influenzata da molti fattori. Gli esempi includono la temperatura, la pressione e l'aggiunta di altre molecole. La pressione ha un piccolo effetto sui liquidi e spesso viene ignorata. L'aggiunta di molecole può avere un effetto significativo. Lo zucchero, ad esempio, rende l'acqua più viscosa.

La temperatura, tuttavia, ha il maggiore impatto sulla viscosità. L'aumento della temperatura in un liquido diminuisce la viscosità perché fornisce alle molecole energia sufficiente per superare l'attrazione intermolecolare. L'effetto della temperatura sulla viscosità è l'opposto per i gas. All'aumentare della temperatura del gas, la viscosità aumenta. La viscosità del gas non è influenzata in modo significativo dall'attrazione intermolecolare, ma dall'aumento della temperatura, che provoca la collisione di più molecole.

Viscosità dinamica e cinetica

Ci sono due modi per segnalare la viscosità. Assoluto o viscosità dinamica è una misura della resistenza di un fluido a fluire mentre viscosità cinematica è il rapporto tra la viscosità dinamica e la densità di un fluido. Sebbene la relazione sia semplice, è importante ricordare che due fluidi con gli stessi valori di viscosità dinamica possono avere densità diverse e quindi valori di viscosità cinematica diversi. E, naturalmente, la viscosità dinamica e la viscosità cinematica hanno unità diverse.

Unità di viscosità

L'unità SI per la viscosità è newton-secondo per metro quadrato (N·s/m2). Tuttavia, vedrai spesso la viscosità espressa in termini di pascal-secondo (Pa·s), chilogrammo per metro al secondo (kg·m−1·s−1), poise (P o g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) o centipoise (cP). Ciò rende la viscosità dell'acqua a 20 °C di circa 1 cP o 1 mPa·s.

Nell'ingegneria americana e britannica, un'altra unità comune è libbra-secondi per piede quadrato (lb·s/ft2). Un'unità alternativa ed equivalente è libbra-forza-secondi per piede quadrato (lbf·s/ft2).

Unità di viscosità dinamica

Equilibrio (simbolo: P)

Poise (simbolo: P) Prende il nome dal medico francese Jean Louis Marie Poiseuille (1799– 1869), questa è l'unità di viscosità CGS, equivalente a dyne-second per centimetro quadrato. È la viscosità di un fluido in cui una forza tangenziale di 1 dine per centimetro quadrato mantiene una differenza di velocità di 1 centimetro al secondo tra due piani paralleli distanti 1 centimetro l'uno dall'altro. Anche in relazione ai fluidi ad alta viscosità, questa unità è generalmente incontrata come centipoise (cP), che è 0.01 poise. Molti fluidi di uso quotidiano hanno viscosità comprese tra 0.5 e 1000 cP

Pascal-secondo (simbolo: Pa·s)

Questa è l'unità SI della viscosità, equivalente a newton-secondo per metro quadrato (N·sm–2). A volte è indicato come "poiseuille" (Pl). Un equilibrio è esattamente 0.1 Pa·s. Una poiseuille è 10 poise o 1000 cP, mentre 1 cP = 1 mPa·s (un millipascal-secondo).

Unità cinematiche di viscosità

Stokes (simbolo: St)

Questa è l'unità cgs, equivalente a centimetro quadrato al secondo. Uno stokes è uguale alla viscosità in equilibrio divisa per la densità del fluido in g cm–3. Di solito si incontra come centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt secondi universali

Questo è il tempo necessario affinché 60 ml di fluido scorrano attraverso l'orifizio calibrato di un viscosimetro Saybolt Universal a una temperatura specificata per la viscosità cinematica, come prescritto dal metodo di prova ASTM D 88. Per viscosità più elevate, viene utilizzato SSF (Saybolt Seconds Furol).

Formula per la viscosità

Modello base di flusso tra due piastre [1]

Il rapporto tra la forza esterna (F) alla zona interessata (A) è definito come il sforzo di taglio (σ):

σ = F/A

I sforzo di taglio (γ) è definita come la variazione relativa della lunghezza del materiale dovuta alla forza esterna:

γ = l/l₀

Il rapporto tra lo sforzo di taglio (σ) e la deformazione di taglio (γ) è definito come il modulo (G):

G = σ/ γ

Se la piastra superiore nella Figura 1 si muove a una certa velocità (v), il gradiente di velocità dv/dx è definito come velocità di taglio (γ̇). Sir Isaac Newton, che formulò le leggi del moto e della gravitazione universale, scoprì che nei fluidi ideali (noti come fluidi newtoniani), lo sforzo di taglio (σ) è direttamente correlato alla velocità di taglio (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Fluidi newtoniani e non newtoniani

I fluidi newtoniani, come vengono chiamati, hanno una viscosità costante. Aumentando la forza, la resistenza aumenta, ma è un aumento proporzionale. Non importa quanta forza viene applicata a un fluido newtoniano, continua ad agire come un fluido. UN Fluido newtoniano è un fluido che obbedisce alla legge di attrito di Newton, dove la viscosità è indipendente dalla velocità di deformazione.

La viscosità rimane costante indipendentemente dalle variazioni della velocità di taglio o dall'agitazione. All'aumentare della velocità della pompa, la portata aumenta proporzionalmente. I liquidi che mostrano un comportamento newtoniano includono acqua, oli minerali, sciroppo, idrocarburi e resine.

Fluidi non newtoniani

A fluido non newtoniano è uno che non obbedisce alla legge di attrito di Newton. La maggior parte dei sistemi fluidi non sono newtoniani (noti come fluidi non newtoniani) e la loro viscosità non è costante, ma cambia in funzione dell'aumento o della diminuzione della velocità di taglio applicata.

Molti fluidi mostrano una diminuzione della viscosità in funzione dell'aumento della velocità di taglio. Questi fluidi sono chiamati fluidi pseudoplastici. La "struttura" del fluido in questi sistemi è scomposta a causa della forza esterna, risultando in a assottigliamento a taglio il comportamento. Se l'associazione interparticellare (o molecolare) iniziale è forte, il sistema può comportarsi come un solido a riposo. Lo sforzo di taglio iniziale necessario per vincere le forze interne e distruggere la struttura è definito come valore di rendimento del sistema. I materiali che mostrano un valore di snervamento e quindi dimostrano un assottigliamento al taglio con l'aumento della velocità di taglio sono definiti come fluidi plastici. Alcuni fluidi mostrano un aumento della viscosità con l'aumento della velocità di taglio, un fenomeno noto come ispessimento a taglio. Questi materiali sono definiti come fluidi dilatanti.

Sforzo di taglio in funzione della velocità di taglio [1]

Viscosità in funzione della velocità di taglio [1]

Comportamento del flusso nel tempo: tissotropia

Un fluido complesso si riorganizza nel tempo quando viene rimossa una forza esterna. Pertanto, la viscosità non dovrebbe essere misurata solo aumentando la velocità di taglio quando la struttura si rompe, ma anche diminuendo la velocità di taglio quando il sistema si ristabilisce. Questo si chiama isteresi.

In un rapido recupero, il grafico della viscosità rispetto alla velocità di taglio decrescente verrebbe sovrapposto al grafico della viscosità rispetto alla velocità di taglio crescente. Se il fluido impiega del tempo per ripristinare la sua struttura, la "curva discendente" sarebbe al di sotto della "curva di salita". tissotropia è definito come un assottigliamento del taglio con velocità di taglio aumentata e un recupero più lento con velocità di taglio decrescente. Nel non tissotropico materiali, le curve “su” e “giù” si sovrappongono ed entrano reopettico materiali, la curva "giù" è al di sopra della curva "su".

Ma mentre i fluidi tissotropici vengono occasionalmente scambiati per fluidi pseudoplastici e i fluidi reopettici vengono occasionalmente scambiati per fluidi dilatanti, questi due tipi di fluidi differiscono in un modo cruciale: la dipendenza dal tempo. La variazione della viscosità rispetto allo stress per fluidi dilatanti e pseduoplastici è indipendente dal tempo. Ma per i fluidi tissotropici, la viscosità diminuisce con l'aumentare dello stress più a lungo viene applicato lo stress. Lo stesso vale per i fluidi reopettici, la viscosità aumenta con l'aumentare dello stress più a lungo viene applicato detto stress.

Utilizziamo molti prodotti nella vita quotidiana che mostrano un comportamento tissotropico. La tissotropia è la proprietà che spiega perché i prodotti per la cura personale come gel per capelli e dentifricio passano da liquidi a solidi quando vengono spremuti, ma ritornano allo stato solido in seguito per mantenere la loro forma. Le proprietà reologiche di decomposizione e rigenerazione strutturale in relazione al tempo determinano la qualità di un prodotto.

Viscosità in funzione della velocità di taglio - comportamento tissotropico e non tissotropico (le frecce mostrano una velocità di taglio crescente o decrescente) [1]

Viscosità rispetto allo stress nel tempo (comportamento tissotropico vs reopettico) [2]

Importanza della viscosità nella vita quotidiana

In molti campi diversi, la viscosità può effettivamente essere molto utile, anche se sembra essere di minore importanza nella vita quotidiana. Per esempio:

• Lubrificazione nei veicoli.Quando metti l'olio nella tua auto o camion, dovresti considerare la sua viscosità. È perché la viscosità influisce sull'attrito, che influisce sul calore. Inoltre, la viscosità influisce sia sul tasso di consumo di olio che sulla facilità con cui il tuo veicolo si avvia in condizioni di caldo e freddo. La viscosità di alcuni oli rimane la stessa quando si riscaldano e si raffreddano, mentre altri diventano più sottili quando si riscaldano, causando problemi durante la guida dell'auto durante una calda giornata estiva.
• Nella preparazione e nel servizio del cibo, la viscosità gioca un ruolo significativo. Molti oli da cucina diventano molto più viscosi con il raffreddamento, mentre altri potrebbero non cambiare affatto la viscosità. Poiché il grasso è viscoso quando viene riscaldato, diventa solido quando viene raffreddato. Anche la viscosità di salse, zuppe e stufati è importante in diverse cucine. Una volta diluita, una densa zuppa di patate e porri diventa vichyssoise francese. Il miele, ad esempio, è piuttosto viscoso e può cambiare la "sensazione in bocca" di alcuni cibi.
• L'attrezzatura nella produzione deve essere adeguatamente lubrificata per funzionare senza intoppi. Le tubazioni possono essere bloccate e intasate da lubrificanti viscosi. I lubrificanti sottili forniscono una protezione insufficiente per le parti mobili.
• Quando i liquidi vengono iniettati per via endovenosa, la viscosità può essere cruciale. Una delle principali preoccupazioni riguarda la viscosità del sangue: il sangue troppo viscoso può formare coaguli interni, mentre il sangue troppo magro non si coagula, causando pericolose perdite di sangue e persino la morte.

Alcune viscosità tipiche