ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟ – عوامل موثر در آن

به مقاومت یک مایع در برابر اعمال تنش برشی، ویسکوزیته یا گرانروی گفته می شود. تنش برشی زیادتری لازم است تا در یک مایع با ویسکوزیته بالا، تغییر شکل یکسانی رخ دهد. نمونه ای از این مورد را می توان در مقایسه عسل با شیر بررسی کرد که گرانروی عسل بیشتر از شیر است. برای درک ویسکوزیته می توان سطح شیبداری را در نظر گرفته و شیر و عسل را روی این سطح شیبدار ریخت. در این سطح، شیر به راحتی پایین آمده ولی عسل به آرامی روی آن حرکت می کند. ویسکوزیته یا گرانروی در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک مورد بررسی قرار می گیرد.

ویسکوزیته یا گرانروی چیست؟

به مقاومتی که یک سیال در برابر حرکت از خود نشان می دهد، گرانروی می گویند. سیال می تواند مایع و یا گاز بوده و به وجود آمدن مقاومت در حالتی خواهد بود که حرکت نسبی بین لایه های سیال وجود داشته باشد. به عبارتی می توان گفت که به اصطکاک داخلی بین لایه های سیال، گرانروی می گویند. اما این کمیت تحت تاثیر دماست. به طوری که با افزایش دما، میزان گرانروی کم شده ولی با کاهش دما، گرانروی زیاد می شود.

گرانروی شاره ای بزرگتر، به دلیل تشکیل اصطکاک داخلی در نتیجه ی نیروهای بین مولکولی قوی، مقاومت بیشتری در برابر حرکت خواهد داشت. در نتیجه ی این فرایند، لایه های شاره نمی توانند به راحتی نسبت به یکدیگر حرکت کنند. اما وقتی گرانروی کوچک باشد، به دلیل وجود نیروهای بین مولکولی ضعیف، جریان سیالی آسان تری را ایجاد می کند. در نتیجه، لایه ها به راحتی می توانند حرکت کنند، زیرا اصطکاک ایجاد شده بین لایه های شاره کوچک خواهد بود.

واحد ویسکوزیته یا گرانروی

پوازیه یا پوآز واحدی است که برای بیان اندازه مقاومت یک سیال در برابر حرکت به کار برده می شود. از واحدهای دیگری که برای بیان گرانروی به کار می رود، نیوتن – ثانیه بر متر مربع و پاسکال – ثانیه است.

ویسکوزیته یا گرانروی در مایعات

گرانروی که همان مقاومت سیال است، مشابه با اصطکاک بین دو سطح جامد، تبدیل انرژی جنبشی حرکتی را به انرژی گرمایی انجام می دهد. برای این که بتوان ویسکویته در مایعات را توضیح داد باید اطلاعاتی درباره حرکت مولکول ها در سطوح جامد و مایع داشته باشیم. وقتی دو سطح جامد روی یکدیگر حرکت می کنند، تعریف ضریب اصطکاک، نسبت نیروی اصطکاک به نیروی عمودی سطح خواهد بود. اما در بحث گرانرویی به جای این کمیت، تعریفی به نام ضریب گرانروی خواهیم داشت.

ضریب اصطکاک به مقدار گرمایی که در هنگام حرکت سیال با سرعت بیشتر نسبت به سیال با سرعت کمتر، تولید می شود. در تعریفی دیگر که مانند انتقال گرما از بخشی با دمای بالاتر به بخشی با دمای پایین تر است، نرخ انتقال تکانه از جریان سریع تر به جریان کندتر را گرانروی می گویند.

سیال نیوتنی و غیرنیوتنی

سیالی که ویسکوزیته در آن تنها وابسته به دما و فشار بوده ولی به نیروی اعمال شده به آن بستگی ندارد، سیال نیوتنی گفته می شود. در این سیال ها، رابطه خطی بین تنش و کرنش وجود دارد. به عبارت دیگر در هر سیالی، وقتی دما ثابت باشد، تقسیم تنش برشی به نرخ کرنش برشی، ثابت است. به این نوع گرانروی در سیال نیوتنی، گرانروی مطلق یا دینامیکی گفته می شود. در این سیالات، ویسکوزیته مستقل از نرخ برش است. رابطه ریاضی برای ویسکوزیته برای اولین بار توسط نیوتن نوشته شد.

اما در سیالات غیرنیوتنی رابطه غیرخطی بین تنش برشی و گرادیان سرعت وجود دارد. گرانروی در این سیالات، وقتی به آن نیرو اعمال می شود، تغییر می کند. از مهمترین سیالات غیرنیوتنی، خمیر دندان، خون، فرنی، پلیمرهای ذوب شده و سس گوجه فرنگی هستند. دو دسته از سیالات غیرنیوتنی به شکل مستقل از زمان و یا وابسته به زمان وجود دارد.

انواع گرانروی یا ویسکوزیته

دو دسته ی کلی از ویسکوزیته وجود دارد که دینامیک و سینماتیک خوانده می شوند.

ویسکوزیته دینامیکی

همان خاصیتی از یک سیال که مقاومت در برابر جریان های برشی ایجاد می کند، به نام ویسکوزیته مطلق و یا ویسکوزیته دینامیکی است. به نیروی بین مولکولی ذرات تشکیل دهنده یک سیال نیز گرانروی مطلق می گویند. واحدی که در بالا برای ویسکوزیته بیان شد، برای ویسکوزیته مطلق نیز استفاده می شود. جریان های برشی در جایی که سرعت های مختلفی برای لایه های سیال باشد، به وجود می آیند. مثالی که برای درک بهتر این نوع گرانروی به کار می رود، جریان کوئت است.

سیال در جریان کوئت بین دو صفحه ای قرار گرفته است. صفحه بالایی در این سیستم با سرعت ثابتی در حال حرکت هستند. حرکت ذرات در این نوع جریان به صورت موازی با صفحه خواهد بود، زمانی که اندازه سرعت صفحه بالایی به حد کافی کوچک باشد. با توجه به متفاوت بودن سرعت حرکت ذرات سیال روی یکدیگر، نیرویی که لازم است تا سیال حرکت کند، متفاوت خواهد بود. به عبارتی وقتی سرعت سیال بالا باشد، نیرو نیز زیاد می شود. در نتیجه در سیال نیوتنی، بین تنش و گرادیان سرعت، رابطه خطی وجود دارد. ویسکوزیته خطی برای ایجاد این رابطه خطی نیاز است.

ویسکوزیته یا گرانروی سینماتیک یا جنبشی

از تقسیم ویسکوزیته دینامیکی به چگالی، ویسکوزیته جنبشی و یا سینماتیک به دست می آید. این نوع ویسکوزیته با واحد مترمربع بر ثانیه در SI بیان می شود. واحد دیگری که به نام استوکس نامیده می شود، سانتی متر مربع بر ثانیه بوده و بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. هر متر مربع بر ثانیه برابر با ۱۰۰۰۰ استوکس است. از واحدهای رایج دیگر برای این کمیت، میلی متر مربع بر ثانیه یا سنتی استوکس است.

توجه

دو نوع گرانروی دینامیکی و سینماتیک در حل مسایل با هم تفاوت هایی دارند. به عنوان نمونه، وقتی رفتار بین مولکولی و تعمیم دادن آن ها با ویژگی مکانیکی در مسایل مورد نظر باشد، گرانروی دینامیکی و زمانی که در آن ها، حرکت سیال اهمیت داشته باشد، گرانروی سینماتیک به کار برده می شود.

ویسکوزیته یا گرانروی بالک

نمونه دیگری از ویسکوزیته به نام بالک وجود دارد که در سیال تراکم پذیری ایجاد می شود که دچار انبساط و یا انقباض ناگهانی بدون برش می شود. یکی از خواص این نوع ویسکوزیته، متناسب بودن آن با نرخ افزایش و یا کاهش حجم است. به ویسکوزیته بالک، گرانروی نوع دوم نیز گفته می شود. جریان های صوتی و شاک ها مثال هایی هستند که در آن ها به طور ناگهانی، حجم تغییر می کند و دارای ویسکوزیته بالک هستند.

چگونگی اندازه گیری ویسکوزیته یا گرانروی

همان طور که در بالا تعریف شده و از مقایسه دو ماده عسل و شیر استفاده شد، گرانروی را اندازه مقاومت یک سیال در برابر حرکت تعریف می کنند. با کند بودن جریان عسل، میزان گرانروی آن بیشتر از شیر است. از راه های مختلفی برای اندازه گیری ویسکوزیته استفاده می کنند. در یکی از این روش ها، ابتدا سیال مورد نظر وارد محفظه ی مدرجی کرده و همراه با آن توپی را داخل این محفظه قرار می دهند. برای اندازه گیری گرانروی با این روش باید مراحل زیر طی شود.

در این روش اندازه گیری باید گرانروی را به خوبی درک کرده و بدانیم که سیالی که میزان ویسکوزیته بالایی دارد، یعنی با سرعت کمتری جاری می شود. از وسایلی چون استوانه مدرج، خط کش، کرنومتر، مایع مورد نظر و ماشین حساب در این روش استفاده می شود. اما مایعی که میزان گرانروی آن سنجیده می شود باید شفاف باشد تا حرکت گوی در آن دنبال شود. با استفاده از محاسبه چگالی کره، چگالی مایع، سرعت حرکت کره در مایع که از نسبت مسافت طی شده به مدت زمان سپری شده به دست می آید، گرانروی مایع محاسبه می شود.

تکنیک های اندازه گیری گرانروی مایعات

گرانروی سنج لوله مویین

یکی از روش های قدیمی اندازه گیری گرانروی، لوله مویین است که با اطلاع داشتن از چگالی و حجم مایع مورد نظر امکان پذیر است. در این روش، عبور مایع از لوله U شکلی صورت می گیرد که اندازه کوچک داشته و همچنین دارای قطر کوچکی هستند. مدت زمان عبوری مایع از لوله مویین با گرانروی سینماتیک متناسب است.

رئومتر چرخشی

در این تکنیک، تغییر شکل مکانیکی در مایعات با وارد شدن گشتاور دوقطبی ضعیف با اندازه های مختلف ایجاد می شود. آنچه در این روش اندازه گیری می شود، مقدار گشتاور مورد نیازی است که برای ایجاد چرخش به دور صفحه ی افقی لازم است. مقدار گشتاور مورد نیاز با میزان گرانروی متناسب است.

گرانروی سنج ارتعاشی

یکی دیگر از روش ها، استفاده از ویسکومتر ارتعاشی است که اندازه گیری گرانروی در آن با اعمال نوسان و ارتعاش به مایع و همچنین بررسی اثرات میرایی آن انجام می شود.

رئومتر میکروسیالی

می توان ویسکوزیته دینامیک سیالات در میزان حجم های کوچک را با استفاده از تکنیک جدید رئومتر میکروسیالی اندازه گیری کرد. در این روش، مایع را از داخل کانال میکروسیالی عبور می دهند که جریان آهسته ای در آن برقرار است.

عوامل موثر در میزان ویسکوزیته یا گرانروی

عوامل زیادی از جمله دمای سیال، شرایط جریان، فشار، جرین چندفازی و ذرات معلق می تواند بر میزان گرانروی موثر باشد.

هر چه دمای مایعات افزایش پیدا کند، میزان گرانروی آن ها کم می شود. اما در مورد گازها، خلاف این است. به عبارتی با افزایش دما میزان گرانروی در گازها افزایش پیدا می کند. پس در دمای بالا، حرکت مایعات راحت تر ولی حرک گازها سخت تر می شود. اما افزایش و یا کاهش مقدار ماده تاثیری در میزان ویسکوزیته سیالات ندارد.

در توضیح این مورد می توان به جنبش مولکول ها و حرکت پیوسته آن ها، طبق نظریه جنبشی مولکول ها اشاره کرد. با افزایش دما سرعت حرکت مولکول ها زیاد می شود. در مایعات با افزایش دما و انرژی جنبشی مولکول ها، فاصله بین آن ها زیاد می شود. پس با کم شدن نیروی بین مولکولی، اصطکاک داخلی کم شده و گرانروی نیز کاهش پیدا می کند.

در جریان آرام مایع، مقدار ویسکوزیته ثابت بوده اما وقتی که جریان های متلاطمی در مایع ایجاد شود، گرانروی تغییرات زیادی پیدا می کند. زیرا در جریان های آرام، حرکت لایه ها به آرامی و بدون ترکیب شدن با هم بوده ولی لایه ها در شرایط متلاطم، حرکات گردابی دارند.

تاثیر فشار در میزان گرانروی در مایعات بی تاثیر بوده ولی در گازها، با زیاد شدن فشار، ویسکوزیته نیز زیاد می شود. زیرا مایعات به دلیل خاصیت تراکم ناپذیری، وقتی فشار در آن ها زیاد شود، فاصله بین مولکول ها کم نخواهد شد.

حجم هر کدام از فازها در ویسکوزیته جریان های چند فازی موثر خواهد بود. وجود ذرات معلق در یک سیال می تواند تاثیر مثبتی در میزان گرانروی داشته و حرکت آن ها را سخت تر کند.

گرانروی در روغن موتور

دما و فشار دو عاملی هستند که با تغییر، باعث ایجاد تغییر در ویسکوزیته روغن موتور می شود. این تغییرات برای هر سیال دیگری نیز، همان طور که در بالا گفته شد، اتفاق می افتد. انجمن مهندسین خودرو به نام SAE، استاندارد عملکرد روغن ها موتور در آمریکا را مشخص می کنند. با این شماره گذاری، وقتی دما بالا و یا پایین رود می توان رفتار روغن های موتور را توضیح داد. در این شماره گذاری، اولین حرف نشان دهنده رفتار روغن موتور در آغاز حرکت، عدد دوم نشان دهنده رفتار روغن موتور در دمای بالا و آغاز به حرکت خودرو بعد از طی زمان معینی است. در این شماره گذاری، وقتی اعداد کوچکتر باشند نشان دهنده این است که این روغن ها باید در دناهای بسیار پایین مورد استفاده قرار گیرد.

اعداد SAE کوچک نشان دهنده گرانروی کم در روغن ها و اعداد SAE بزرگ نشان دهنده گرانروی بالاست.

نکات اصلی در انتخاب یک روغن موتور با کیفیت

برای انتخاب یک روغن موتور باید ابتدا شاخص گرانروی آن (غلظت SAE) مورد توجه قرار گیرد. همچنین باید به شاخص API کیفیت روغن و پایه آن که معدنی، نیمه سنتتیک و سنتتیک است، توجه شود.