Độ nhớt là gì? 5 cách đo độ nhớt thường dùng nhất

Cập nhật: 08:23 - 10 tháng 9, 2022

Độ nhớt là một trong những tính chất vật lý thiết yếu nhất của chất lỏng công nghiệp, chẳng hạn như lớp phủ, sơn, dung môi và chất kết dính.

Độ nhớt là gì? 5 cách đo độ nhớt thường dùng nhất
Độ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tượng chạy và chảy xệ. Mặt khác, độ nhớt quá cao có thể “cứng” và lâu khô.

Về cơ bản, độ nhớt biểu thị khả năng chống biến dạng của chất lỏng do ứng suất cắt hoặc kéo. Nói cách khác, tính chất này mô tả lực ma sát giữa các phân tử chất lỏng gây ra chuyển động tương đối đối lập giữa các lớp chất lỏng chuyển động với các vận tốc khác nhau. Độ nhớt có thể là một manh mối về cách một chất lỏng sẽ hoạt động dưới một lực tác dụng hoặc trọng lượng của chính nó.

Chất lỏng càng nhớt thì nó càng có vẻ "đặc" hơn. Ví dụ, dầu hoặc mỡ có độ nhớt cao hơn nước và do đó có vẻ đặc hơn.

Các nhà sản xuất dầu, chất phủ, sơn và chất kết dính thường được giao nhiệm vụ xác định độ nhớt tối ưu của sản phẩm của họ cho các ứng dụng cụ thể.

Chất lỏng có độ nhớt thấp có xu hướng chảy dễ dàng hơn. Do đó, việc sơn phủ có độ nhớt quá thấp có thể gây ra hiện tượng chạy và chảy xệ. Mặt khác, lớp phủ có độ nhớt quá cao có thể “cứng” và khó thi công.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét sự khác biệt giữa độ nhớt động lực học và động học cũng như các phương pháp khác nhau để đo chúng.

Độ nhớt động lực học đặc biệt hữu ích khi mô tả chất lỏng không Newton.

Về mặt toán học, độ nhớt động lực học có thể được biểu thị bằng:

μ = τ dy / dc = τ / γ

Trong đó:

  • τ = ứng suất cắt trong chất lỏng (N / m2).
  • μ = độ nhớt động lực của chất lỏng (N s / m2).
  • dc = đơn vị vận tốc (m / s).
  • dy = đơn vị khoảng cách giữa các lớp (m).
  • γ = dc / dy = tốc độ cắt (s-1).

Đơn vị SI cho độ nhớt động lực là N s / m2 hoặc Pascal-giây (Pa s). Một đơn vị đo khác cho độ nhớt động lực là poise (p), trong đó một poise bằng một teneth N s / m2 hoặc 1/10 Pa s.

Đơn vị đĩnh đạc đôi khi có thể quá lớn cho các mục đích thực tế. Vì lý do này, đơn vị centipoise (cP) thường được sử dụng thay thế cho nó. Trong đơn vị centipoise, một cP bằng 0,01P, 0,001 N s / m2 hoặc 0,001 Pa s.

Độ nhớt động học

Độ nhớt động học đơn giản là tỷ số giữa độ nhớt động lực học và khối lượng riêng của chất lỏng. Nó phản ánh khả năng chống cắt của chất lỏng dưới tác động của trọng lực, tức là dòng chảy do trọng lượng riêng của chất lỏng.

Độ nhớt này đặc biệt hữu ích trong việc mô tả chất lỏng Newton. Về mặt toán học, độ nhớt động học có thể được biểu thị bằng:

ν = μ / ρ

Trong đó:

  • ν = độ nhớt động học (m2 / s).
  • μ = độ nhớt tuyệt đối hoặc động lực học (N s / m2).
  • ρ = khối lượng riêng (kg / m3).

Đơn vị SI cho độ nhớt động lực là m2 / s. Một đơn vị đo lường khác cho thuộc tính này là Stoke (St), trong đó một St bằng 10-4 m2 / s bằng 1 cm2 / s.

Trường hợp giá trị độ nhớt trong Stoke quá lớn, đơn vị centistoke nhỏ hơn (cSt) thường được sử dụng thay thế cho nó. Trong tâm tâm, một cSt bằng 10-6 m2 / s = 1 mm2 / s.

Làm thế nào được đo độ nhớt?

Có một số phương pháp khác nhau để đo cả độ nhớt động lực và động học. Một số phương pháp phổ biến nhất như sau:

Cốc đo độ nhớt

Cốc đo độ nhớt
Cốc đo độ nhớt.

Cốc đo độ nhớt được sử dụng để xác định độ nhớt động học của chất lỏng và thường được làm bằng nhôm anốt hóa với một lỗ thép không gỉ.

Thử nghiệm tương đối đơn giản này bao gồm việc đặt chất lỏng vào một vật chứa có lỗ nhỏ ở đáy. Chất lỏng được phép chảy qua lỗ với một lượng chính xác. Thời gian để chất lỏng đi qua lỗ được đo và tương quan với độ nhớt thông qua việc sử dụng các biểu đồ được cung cấp cho cốc nhất định.

Cốc đo độ nhớt thường được sử dụng để đo độ đặc của sơn, vecni và các sản phẩm tương tự. Sau đó, một bảng được sử dụng để chuyển đổi thời gian chảy (tính bằng giây) sang độ nhớt tính bằng centistokes (cSt).

Cốc Ford và Zahn là một số loại cốc đo độ nhớt được sử dụng phổ biến nhất. Mỗi thiết kế cốc là duy nhất; do đó cần phải cẩn thận khi so sánh các giá trị độ nhớt giữa các loại cốc khác nhau. Các giá trị mà cốc đo độ nhớt cung cấp là giá trị tuyệt đối và không bao gồm dung sai cho phép — vì những giá trị này khác nhau đáng kể giữa mỗi tiêu chuẩn.

Máy đo độ nhớt dao động

Máy đo độ nhớt dao động
Máy đo độ nhớt dao động.

Máy đo độ nhớt dao động hoạt động bằng cách nhúng một bộ cộng hưởng điện cơ dao động trong chất lỏng thử nghiệm và đo mức độ giảm chấn của chất lỏng. Bộ cộng hưởng thường dao động xoắn hoặc dao động ngang và sự tắt dần có thể được xác định bởi:

  • Ghi lại công suất đầu vào cần thiết để giữ cho thiết bị rung ở biên độ không đổi.
  • Đo thời gian phân rã của dao động sau khi tắt rung.
  • Đo tần số của bộ cộng hưởng với các góc pha thay đổi.

Máy đo độ nhớt thạch anh là một ví dụ về máy đo độ nhớt dao động. Với phương pháp này, một tinh thể thạch anh dao động được ngâm vào chất lỏng và ảnh hưởng cụ thể đến hành vi dao động xác định độ nhớt. Một điện trường đặt vào bộ dao động làm cho cảm biến chuyển động và dẫn đến sự cắt chất lỏng.

Chuyển động của cảm biến sau đó bị ảnh hưởng bởi các lực bên ngoài (ứng suất cắt) của chất lỏng, ảnh hưởng đến phản ứng điện của cảm biến.

Máy đo độ nhớt quay

Máy đo độ nhớt quay
Máy đo độ nhớt quay.

Máy đo độ nhớt quay hoạt động bằng cách đo mô-men xoắn cần thiết để quay một vật thể trong chất lỏng thử nghiệm. Đây là cách quá trình diễn ra:

  • Một trong những bề mặt là tĩnh.
  • Bề mặt giao phối được quay bằng ổ ngoài.
  • Chất lỏng lấp đầy khoảng trống giữa các bề mặt. Mô-men xoắn cần thiết để quay đĩa hoặc lắc ở tốc độ định trước được đo và ghi lại.

Mô-men xoắn duy trì tốc độ cài đặt tỷ lệ thuận với độ nhớt; do đó, thiết bị có khả năng tạo ra các giá trị độ nhớt, ứng suất cắt và tốc độ cắt. Do lực cắt bên ngoài tác dụng lên chất lỏng, nên nhớt kế quay đo độ nhớt động lực học của chất lỏng.

Cốc, bo, nón và đĩa đều là các loại máy đo độ nhớt quay. Máy đo độ nhớt cốc và bob bao gồm các hình trụ đồng trục có đường kính khác nhau. Một thể tích mẫu cần cắt được lưu trữ trong ngăn thử nghiệm; Mômen xoắn cần thiết để đạt được một tốc độ quay nhất định được đo và vẽ biểu đồ.

Máy đo độ nhớt dạng nón và dạng tấm có đồng hồ đo mô-men xoắn chính xác được điều khiển theo tốc độ quay riêng biệt. Nó sử dụng hình nón góc hẹp gần với một tấm phẳng. Độ nhớt được tính toán từ ứng suất cắt và tốc độ cắt.

Máy đo độ nhớt mao quản

Máy đo độ nhớt mao quản
Máy đo độ nhớt mao quản.

Phương pháp này đo thời gian để một thể tích chất lỏng xác định chảy qua ống mao dẫn hình chữ U có đường kính và chiều dài đã biết. Ống thường có hai dấu — dấu trên và dấu dưới — được sử dụng làm tham chiếu đo lường. Thời gian để chất lỏng chảy qua các vết này tỷ lệ với độ nhớt động học; do đó độ nhớt có thể được xác định bằng cách sử dụng các công thức tiêu chuẩn.

Máy đo độ nhớt mao quản bao gồm máy đo độ nhớt Ostwald và Ubbelohde. Cả hai đều là dụng cụ hình chữ U, có hai bóng đèn thủy tinh và sử dụng ống mao dẫn. (Để biết thêm về cách thủy tinh có thể ngăn chặn sự ăn mòn, hãy xem: Nhìn vào Lớp lót rào cản ăn mòn để bảo vệ chống ăn mòn bên trong.)

Tuy nhiên, một ưu điểm chính của máy đo độ nhớt Ubbelohde là các giá trị mà nó thu được không phụ thuộc vào tổng thể tích của chất lỏng được sử dụng. Sự khác biệt chính giữa máy đo độ nhớt Ostwald và Ubbelohde là máy đo độ nhớt Ostwald thích hợp để đo chất lỏng có độ nhớt thấp đến trung bình, trong khi máy đo độ nhớt Ubbelohde thích hợp để đo chất lỏng có độ nhớt cao.

Máy đo độ nhớt hình cầu rơi

Máy đo độ nhớt hình cầu rơi
Máy đo độ nhớt hình cầu rơi.

Máy đo độ nhớt hình cầu rơi được sử dụng để xác định độ nhớt động lực học của chất lỏng Newton trong suốt.

Khái niệm này liên quan đến việc đo thời gian để một quả cầu có mật độ đã biết rơi qua một ống chứa đầy mẫu dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Ống này thường được gắn trên một thiết bị có thể quay nhanh 180 độ để cho phép thử nghiệm lặp lại. Thời gian trung bình của ba lần thử nghiệm được ghi lại và sử dụng trong công thức chuyển đổi để xác định độ nhớt của mẫu.

Máy đo độ nhớt quả cầu rơi được sử dụng để kiểm tra chất lượng trong các ngành công nghiệp khác nhau cũng như trong các cơ sở học thuật để minh họa phương pháp khoa học. Tính dễ sử dụng và phương pháp đơn giản để ghi lại các phép đo thời gian đảm bảo kết quả thử nghiệm có ý nghĩa.

Đồng hồ đo

Máy đo tính nhất quán
Máy đo tính nhất quán.

Máy đo tính nhất quán là một thiết bị bao gồm một máng kim loại với một phần nhỏ được chặn phía sau một cánh cổng nạp lò xo. Đây là cách nó hoạt động:

  • Mẫu cần kiểm tra được đặt phía sau cổng nạp lò xo.
  • Cổng được nâng lên, cho phép mẫu chảy tự do dưới trọng lượng của chính nó.
  • Khoảng cách mà chất lỏng chảy trong một thời gian cụ thể được đo thông qua phân cấp của thiết bị.

Bản thân máy đo độ nhớt không đo trực tiếp các giá trị độ nhớt; thay vào đó, nó cho phép người dùng phát triển các tiêu chuẩn của riêng họ cụ thể cho các sản phẩm đang được thử nghiệm. Phương pháp này phổ biến hơn trong ngành công nghiệp thực phẩm và thường được sử dụng để đo độ nhớt của các sản phẩm như tương cà, sốt mayonnaise, chất bảo quản, chất làm đầy, súp, thức ăn cho trẻ em và nước xốt salad.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt

Có nhiều yếu tố khác nhau phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng. Đó là:

  • Nhiệt độ chất lỏng. Thông thường, độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, độ nhớt của chất khí thường tăng khi nhiệt độ tăng.
  • Điều kiện dòng chảy. Đối với dòng chảy tầng, độ nhớt của chất lỏng không đổi; trong khi đối với dòng chảy rối thay đổi độ nhớt.
  • Sức ép. Khi áp suất tăng, độ nhớt của khí thường sẽ tăng. Đối với chất lỏng, vì chúng không thể nén được nên áp suất không có nhiều tác động.
  • Dòng chảy nhiều pha. Độ nhớt của dòng chảy nhiều pha được thay đổi theo thể tích của mỗi pha.
  • Các hạt lơ lửng: Vật liệu bị lơ lửng dẫn đến tăng độ nhớt.

Định luật về độ nhớt của Newton

Mối quan hệ giữa ứng suất cắt của chất lỏng và tốc độ cắt dưới ứng suất cơ học được điều chỉnh bởi định luật độ nhớt của Newton.

Định luật độ nhớt của Newton phát biểu rằng, đối với một nhiệt độ và áp suất nhất định, ứng suất cắt giữa hai lớp liền kề trong chất lỏng tỷ lệ với chuyển độ vận tốc giữa các lớp đó. Nói cách khác, tỷ số giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt trong chất lỏng là một hằng số và là hệ số của độ nhớt.

Tuy nhiên, định luật độ nhớt của Newton chỉ áp dụng cho chất lỏng Newton. Chất lỏng phi Newton không tuân theo định luật độ nhớt của Newton; và do đó độ nhớt của chúng thay đổi và phụ thuộc vào tốc độ cắt.

Kết luận

Độ nhớt là một đặc tính chất lỏng quan trọng cần thiết cho một số sản phẩm khác nhau trong các ngành công nghiệp khác nhau.

Độ nhớt động lực học và động học mô tả các đặc tính khác nhau và có thể tạo ra các kết quả rất khác nhau khi thử nghiệm chất lỏng. Do đó, điều quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa các loại độ nhớt và có cơ chế kiểm tra thích hợp cho mẫu trong tay.