Viskositeetti

Wikipedia

Viskositeetti on suure, joka kuvaa fluidin (lähinnä neste tai kaasu) kykyä vastustaa muodonmuutoksia. Yleisesti se käsitetään fluidin "paksuudeksi" tai nesteen kaatamista vastustavaksi ominaisuudeksi. Viskositeetti voidaan käsittää fluidin sisäisen kitkan mittayksiköksi: vesi on "ohuempaa" (pieni viskositeetti) kuin kasviöljy (korkea viskositeetti).

Nestepartikkeli voi muuttaa muotoaan kahdella tavalla: puristuksen/venytyksen tai leikkauksen kautta. Leikkauksessa nesteosaset liukuvat toistensa suhteen tangentiaalisesti.

Sisällysluettelo

1 Newtonin teoria
2 Viskositeetin mittauksesta
- 2.1 Yksiköt
3 Yleisten aineiden tyypillisiä viskositeetteja
4 Virtaavuus
5 Etymologia
6 Katso myös

[muokkaa] Newtonin teoria

Kun leikkausvoima kohdistetaan kiinteään kappaleeseen, muuttuu kappaleen muoto kunnes muodonmuutos aiheuttaa leikkaavalle voimalle yhtä suuren vastakkaisen voiman. Tällöin saavutetaan tasapainotila. Jos leikkaava voima kohdistetaankin nesteeseen (esimerkiksi tuuli, joka puhaltaa järven pintaan), neste jatkaa virtaamista niin kauan kuin kyseistä voimaa kohdistetaan nesteeseen. Kun ulkoisen voiman vaikutus lakkaa, nesteen virtaus pysähtyy normaalisti sen sisäisen kitkan vuoksi. Mitä suurempi nesteen viskositeetti on, sitä suurempi on sen vastustus leikkaavaa voimaa vastaan ja sitä nopeammin nesteen virtaus pysähtyy.

Yleisesti ottaen kaikentyyppisissä virtauksissa nesteen kerrokset virtaavat eri nopeuksilla ja nesteen "paksuus" syntyy eri kerrosten välillä vaikuttavista leikkausvoimista. Loppujen lopuksi nämä voimat yhteenlaskettuina vastustavat ulkopuolista voimaa.

Isaac Newton esitti, että suoralle, samansuuntaiselle ja yhtenäiselle virtaukselle leikkausvoima μ joka vaikuttaa virtauskerrosten välillä, on suhteessa nopeusgradienttiin ∂u/∂y, joka on kohtisuorassa virtauskerroksia vastaan.

$\tau=\mu \frac{\partial u}{\partial y}$ .

Yhtälössä vakio μ tunnetaan viskoosikertoimena, viskositeettina tai dynaamisena viskositeettina (käytetään myös symbolia η). Monet nesteet kuten vesi ja useimmat kaasut täyttävät Newtonin ehdon, ja ne tunnetaankin Newtonilaisina nesteinä eli lineaarisina nesteinä. Ei-newtonilaisessa nesteessä puolestaan esiintyy leikkaavan voiman ja nopeusgradientin välillä monimutkaisempi suhde kuin yksinkertainen lineaarinen riippuvuus.

Usein ollaan kiinnostuneita viskoosisen voiman ja inertiaalivoiman suhteesta, jonka tunnuksena on nesteen tiheyden merkki ρ. Tätä suhdetta kuvaa kineemaattinen viskositeetti, jonka määritelmä on

$\nu = \frac {\mu} {\rho}$ .

Viskositeetti on se perusmekanismi, jolla liike-energiaa kuluu nesteen liikkuessa. Tyypillisesti energia muuttuu lämmöksi.

Newtonilaisten fluidien lisäksi on olemassa useita aineita, jotka eivät noudata Newtonin määrittelemään viskositeettimallia. Näitä fluideja kutsutaan hieman kankeasti "ei newtonilaisiksi" fluideiksi.

Niitä on olemassa kahta laatua. 1. Pseudoplastiset 2. Dilatantit

Pseudoplastisilla fluideilla viskositeetti pienenee leikkausvoiman kasvaessa. Dilatantit tekevät juuri päinvastoin.

Esimerkki ja taustaa: mm. homeita fermentoidessa joudutaan ottamaan huomioon fermentointiliuoksen pseudoplastisuus. Homerihmastot muodostavat tahmaisen toisiinsa tarttuneen verkoston, jonka viskositeetti on suuri leikkausvoimien ollessa pieniä. Sekoitusta kasvatettaessa leikkausvoimat kasvavat ja rihmastot alkavat katkeila, jolloin viskositeetti pienenee.

Dilatanteista fluidesita esimerkkinä mainittakoon vaikka veden ja hiekan seos. Pienissä sekoitusnopeuksissa vesi voitelee hiekanjyväsiä, ja näin ollen mahdollistaa suhteellisen pienen viskositeetin. Suurissa leikkausvoimissa vesi ikään kuin pakenee hiekanjyvästen välistä, jolloin voitelu häviää ja viskositeetti kasvaa.

Monet elintarviketeollisuuden fluidit, kuten taikina, ketsuppi ja muusi ovat "ei Newtonilaisia"

[muokkaa] Viskositeetin mittauksesta

[muokkaa] Yksiköt

SI-järjestelmässä dynaamisen viskositeetin ( $μ$ tai $η$ ) yksikkö on $Pa \cdot s \;\left(= \frac{kg}{s\ m}\right)$ ja kinemaattisen viskositeetin ( $ν$ ) yksikkö on $\frac{m^2}{s}$ .

[muokkaa] Yleisten aineiden tyypillisiä viskositeetteja

Muutamien Newtonilaisten kaasujen ja nesteiden viskositeetteja

Kaasuja (0 °C):

	Viskositeetti (Pa·s)
vety	8.4 × 10^-6
ilma	17.4 × 10^-6
xenon	21.2 × 10^-6

Nesteet (20 °C):

	viskositeetti (Pa·s)
etyylialkoholi	0.248 × 10^-3
asetoni	0.326 × 10^-3
metanoli	0.59 × 10^-3
bentseeni	0.64 × 10^-3
vesi	1.0020 × 10^-3
nitrobentseeni	2.0 × 10^-3
elohopea	17.0 × 10^-3
rikkihappo	30 × 10^-3
oliiviöljy	81 × 10^-3
risiiniöljy	0.985
glyseroli	1.485
piki	10⁷

Monilla nesteillä kuten hunajalla on useita eri viskositeetteja.

[muokkaa] Virtaavuus

Käänteisarvo viskositeetille on virtaavuus, jota merkitään φ:llä (=1/μ). Sen yksikkö on cm·s/g, ja sitä kutsutaan joskus rhe:ksi. Virtaavuuden käsitettä käytetään tyypillisesti hyvin vähän.

[muokkaa] Etymologia

Sana viskositeetti juontuu latinankielisestä sanasta "viscum" (misteli), koska mistelipuun marjojen viskoosia (paksua) liimaa on käytetty nappaamaan sitruunapuiden oksilla olevia lintuja.