점도란?

유체의 점도는 흐름에 대한 저항의 척도입니다. 움직이는 유체의 내부 마찰을 설명합니다. 점성 유체는 분자 구성이 많은 내부 마찰을 생성하기 때문에 움직임에 저항합니다. 점도가 낮은 유체는 분자 구성이 움직일 때 마찰을 거의 생성하지 않기 때문에 쉽게 흐릅니다.

분자 수준에서 점도는 유체의 다른 분자 간의 상호 작용으로 인해 발생합니다. 이것은 또한 분자 사이의 마찰로 간주될 수 있습니다. 움직이는 고체 사이의 마찰과 마찬가지로 점도는 유체 흐름을 만드는 데 필요한 에너지를 결정합니다.

이것을 시각화하는 가장 좋은 방법은 예제를 보는 것입니다. 바닥에 구멍이 있는 스티로폼으로 만든 컵을 생각해 보십시오. 나는 꿀을 컵에 부을 때 컵이 매우 천천히 배수되는 것을 알았습니다. 꿀의 점도가 다른 액체에 비해 상대적으로 높기 때문입니다. 예를 들어 같은 컵에 물을 채우면 물이 훨씬 더 빨리 배수됩니다. 점도가 낮은 유체를 "묽은" 유체라고 하고 점도가 높은 유체를 "진한" 유체라고 합니다. 꿀과 같은 고점도 유체보다 저점도 유체(예: 물)를 통해 이동하는 것이 더 쉽습니다.

점도에 영향을 미치는 요인

점도는 많은 요인의 영향을 받습니다. 예에는 온도, 압력 및 다른 분자의 추가가 포함됩니다. 압력은 액체에 작은 영향을 미치며 종종 무시됩니다. 분자를 추가하면 상당한 효과가 있을 수 있습니다. 예를 들어 설탕은 물을 더 점성으로 만듭니다.

그러나 온도는 점도에 가장 큰 영향을 미칩니다. 액체의 온도 증가는 분자에 분자간 인력을 극복하기에 충분한 에너지를 제공하기 때문에 점도를 감소시킵니다. 점도에 대한 온도의 영향은 기체의 경우 반대입니다. 기체 온도가 증가하면 점도가 증가합니다. 기체 점도는 분자간 인력에 의해 크게 영향을 받지 않지만 온도가 증가하면 더 많은 분자가 충돌하게 됩니다.

동적 및 동적 점도

점도를 보고하는 두 가지 방법이 있습니다. 절대 또는 동적 점도 는 흐름에 대한 유체의 저항을 측정하는 반면 동점도 유체 밀도에 대한 동적 점도의 비율입니다. 관계는 간단하지만 동적 점도 값이 동일한 두 유체는 밀도가 다를 수 있으므로 동점도 값이 다를 수 있음을 기억하는 것이 중요합니다. 그리고 물론 동점도와 동점도는 단위가 다릅니다.

점도 단위

점도의 SI 단위는 제곱미터당 뉴턴-초(N·s/m2)입니다. 그러나 점도는 파스칼-초(Pa·s), 미터당 킬로그램(kg·m−1·s−1), 포아즈(P 또는 g·cm−1·s)로 표시되는 경우가 많습니다. 1 = 0.1 Pa·s) 또는 센티푸아즈(cP). 이것은 20°C에서 물의 점도를 약 1cP 또는 1mPa·s로 만듭니다.

미국 및 영국 공학에서 또 다른 일반적인 단위는 제곱피트당 파운드-초(lb·s/ft2)입니다. 이에 상응하는 대안 단위는 제곱피트당 파운드-포스-초(lbf·s/ft2)입니다.

동적 점도 단위

포이즈(기호: P)

Poise(기호: P) 프랑스 의사 Jean Louis Marie Poiseuille(1799–1869)의 이름을 따서 명명된 이것은 점도의 CGS 단위로 평방 센티미터당 다인-초에 해당합니다. 제곱센티미터당 1다인의 접선력이 1센티미터 떨어진 두 평행한 평면 사이에서 초당 1센티미터의 속도차를 유지하는 유체의 점도입니다. 고점도 유체와 관련하여도 이 단위는 가장 일반적으로 0.01포아즈인 센티포아즈(cP)로 표시됩니다. 많은 일상적인 액체의 점도는 0.5~1000cP입니다.

파스칼-초(기호: Pa·s)

이것은 점도의 SI 단위로 평방 미터당 뉴턴-초(N·sm–2)와 동일합니다. 때로는 "poiseuille"(Pl)라고도합니다. 0.1포이즈는 정확히 10Pa·s입니다. 1000포아즈유는 1포아즈 또는 1cP인 반면 XNUMXcP는 XNUMXmPa·s(XNUMX밀리파스칼-초)입니다.

동점도 단위

스톡스(기호: St)

초당 제곱센티미터에 해당하는 cgs 단위입니다. 3 스톡은 포아즈 단위의 점도를 g cm–0.01 단위의 유체 밀도로 나눈 값과 같습니다. 가장 일반적으로 센티스토크(cSt)(= XNUMX 스토크)로 발생합니다.

세이볼트 세컨즈 유니버셜

이것은 시험 방법 ASTM D 60에 따라 규정된 동점도 지정 온도에서 88ml의 유체가 Saybolt Universal 점도계의 보정된 오리피스를 통해 흐르는 시간입니다. 더 높은 점도의 경우 SSF(Saybolt Seconds Furol)가 사용됩니다.

점도 공식

두 판 사이의 유동 기본 모델 [1]

외력의 비율(F) 영향을 받는 지역(A)는 다음과 같이 정의됩니다. 전단 응력 (σ):

σ = F/A

XNUMXD덴탈의 전단 변형 (γ)은 외력으로 인한 재료 길이의 상대적 변화로 정의됩니다.

γ = l/l₀

전단 응력 사이의 비율(σ) 및 전단 변형률(γ)는 다음과 같이 정의됩니다. 계수 (G):

G = σ/ γ

그림 1의 상판이 일정한 속도로 움직이는 경우(v), 속도 구배 dv/dx 다음과 같이 정의됩니다. 전단율 (γ̇). 운동과 만유인력의 법칙을 공식화한 아이작 뉴턴 경은 이상적인 유체(뉴턴 유체로 알려짐)에서 전단 응력(σ)은 전단율(γ̇):

σ = θγ̇ or η = σ/γ̇

뉴턴 및 비뉴턴 유체

뉴턴 유체는 소위 일정한 점도를 가지고 있습니다. 힘을 증가시키면 저항이 증가하지만 비례적으로 증가합니다. 뉴턴 유체에 아무리 많은 힘을 가해도 유체는 계속해서 유체처럼 작용합니다. ㅏ 뉴턴 유체 점성은 변형률 속도와 무관한 뉴턴의 마찰 법칙을 따르는 유체입니다.

점도는 전단 속도 또는 교반의 변화에 ​​관계없이 일정하게 유지됩니다. 펌프 속도가 증가함에 따라 유량도 비례적으로 증가합니다. 뉴턴식 거동을 나타내는 액체에는 물, 광유, 시럽, 탄화수소 및 수지가 포함됩니다.

비뉴턴 유체

A 비뉴턴 유체 뉴턴의 마찰 법칙을 따르지 않는 것입니다. 대부분의 유체 시스템은 뉴턴이 아닙니다( 비뉴턴 유체) 점도는 일정하지 않지만 적용된 전단 속도를 높이거나 낮추는 함수로 변합니다.

많은 유체는 전단 속도 증가의 함수로 점도 감소를 나타냅니다. 이러한 유체를 유사가소성 유체. 이러한 시스템에서 유체의 "구조"는 외력으로 인해 분해되어 결과적으로 전단 담화 행동. 초기 입자간(또는 분자) 결합이 강하면 시스템이 정지해 있는 고체처럼 행동할 수 있습니다. 내부 힘을 극복하고 구조를 파괴하는 데 필요한 초기 전단 응력은 다음과 같이 정의됩니다. 수익률 시스템의. 항복 값을 나타내고 전단 속도가 증가함에 따라 전단 얇아짐을 나타내는 재료는 다음과 같이 정의됩니다. 플라스틱 유체. 일부 유체는 전단 속도가 증가함에 따라 점도가 증가하는 현상으로 알려진 현상을 나타냅니다. 전단 농축. 이러한 재료는 다음과 같이 정의됩니다. 팽창제.

전단 속도의 함수로서의 전단 응력 [1]

전단 속도의 함수로서의 점도 [1]

시간 경과에 따른 흐름 거동: 요변성

복잡한 유체는 외력이 제거되면 시간이 지남에 따라 자체적으로 재배열됩니다. 따라서, 점도는 구조가 파괴될 때 전단 속도를 증가시켜 측정할 뿐만 아니라 시스템이 자체적으로 재건됨에 따라 전단 속도를 감소시켜 측정해야 합니다. 이것을 히스테리시스라고 합니다.

빠른 회복에서 점도 대 감소하는 전단 속도의 플롯은 점도 대 증가하는 전단 속도의 플롯에 겹쳐집니다. 유체가 구조를 복원하는 데 시간이 걸리면 "하향 곡선"이 "상향 곡선" 아래에 있게 됩니다. 요변성 전단 속도가 증가하면 전단 가늘어지고 전단 속도가 감소하면 회복이 느려지는 것으로 정의됩니다. 입력 비요변성 재료, "위" 및 "아래" 곡선이 겹치고 레오펙틱 재료의 경우 "아래" 곡선이 "위" 곡선 위에 있습니다.

그러나 요변성 유체는 때때로 유사가소성 유체로 오인되고 레오펙틱 유체는 때때로 팽창성 유체로 오인되지만 이 두 유형의 유체는 시간 의존성이라는 한 가지 중요한 면에서 다릅니다. 팽창성 유체와 유사가소성 유체의 응력에 대한 점도 변화는 시간과 무관합니다. 그러나 요변성 유체의 경우 응력이 가해질수록 응력이 증가하면 점도가 감소합니다. 레오펙틱 유체의 경우에도 마찬가지이며, 응력이 가해지면 응력이 증가할수록 점도가 증가합니다.

우리는 일상 생활에서 요변성을 나타내는 많은 제품을 사용합니다. 틱소트로피는 헤어 젤 및 치약과 같은 개인 위생용품을 짜면 액체에서 고체로 변하지만 나중에는 형태를 유지하기 위해 고체 상태로 되돌아가는 이유를 설명하는 속성입니다. 시간에 따른 구조적 분해 및 재생의 유변학적 특성은 제품의 품질을 결정합니다.

전단율의 함수로서의 점도 - 요변성 및 비요변성 거동(화살표는 전단율의 증가 또는 감소를 나타냄) [1]

시간 경과에 따른 응력에 대한 점도(요변성 대 레오펙틱 거동) [2]

일상 생활에서 점도의 중요성

많은 다른 분야에서 점도는 일상 생활에서 그다지 중요하지 않은 것처럼 보이지만 실제로는 상당히 유용할 수 있습니다. 예를 들어:

• 차량의 윤활.자동차나 트럭에 기름을 넣을 때는 점도를 고려해야 합니다. 점도가 마찰에 영향을 미치고 열에 영향을 미치기 때문입니다. 또한 점도는 오일 소비율과 덥고 추운 조건에서 차량이 시동되는 용이성에 영향을 미칩니다. 일부 오일의 점도는 가열 및 차가워도 동일하게 유지되는 반면, 다른 오일은 가열됨에 따라 얇아져 더운 여름날 자동차를 운전할 때 문제를 일으킵니다.
• 음식의 준비와 서빙에서 점도는 중요한 역할을 합니다. 많은 식용유는 냉각되면 훨씬 더 점성이 되지만 다른 식용유는 점도가 전혀 변하지 않을 수 있습니다. 지방은 가열하면 점성이 있으므로 냉각하면 고체가 됩니다. 소스, 수프 및 스튜의 점도는 다양한 요리에서도 중요합니다. 얇게 썰면 걸쭉한 감자와 부추 스프가 프렌치 비쉬수아즈가 됩니다. 예를 들어, 꿀은 점성이 매우 높으며 특정 음식의 "구강 느낌"을 바꿀 수 있습니다.
• 제조 장비가 원활하게 작동하려면 적절한 윤활이 필요합니다. 파이프라인은 점성 윤활제에 의해 막히고 막힐 수 있습니다. 얇은 윤활제는 움직이는 부품을 충분히 보호하지 못합니다.
• 수액을 정맥 주사할 때 점도가 중요할 수 있습니다. 주요 문제는 혈액 점도와 관련이 있습니다. 너무 점성이 있는 혈액은 내부 응고를 형성할 수 있는 반면 너무 묽은 혈액은 응고되지 않아 위험한 혈액 손실과 심지어 사망을 초래할 수 있습니다.

몇 가지 전형적인 점도