Viscosità significato e tipi
Viscosità significato e tipi
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Viscosità significato e tipi
La resistenza di un fluido rispetto ad ogni cambiamento posizionale irreversibile dei suoi elementi di volume viene detta viscosità.
Mentre i solidi ed i fluidi reagiscono in maniera assai diversa quando sono deformati da uno sforzo, dal punto di vista reologico non vi è alcuna differenza sostanziale tra i liquidi ed i gas. I gas non sono altro che fluidi con viscosità molto più bassa; ad esempio, a 20°C, l'H2 ha una viscosità che è 1/100 di quella dell'acqua.
Occorre però ricordare che una differenza fondamentale tra liquidi e gas è che le loro viscosità sono inversamente dipendenti dalla temperatura.
La viscosimetria tratta specificatamente della misura del comportamento reologico dei liquidi, compresi quelli che mostrano un comportamento viscoelastico.
Dal punto di vista del tipo di flusso provocato da uno sforzo su un liquido, possiamo distinguere 4 modelli fondamentali :
a) Flusso tra due piatti piani paralleli
Quando un piatto si muove e l'altro è fermo. Questo tipo di flusso è quello che si realizza in processi di verniciatura.
b) Flusso nella zona anulare tra due cilindri concentrici
Uno dei due viene assunto come stazionario, mentre l'altro può ruotare. Un flusso di questo tipo si ha nelle bussole e nei viscosimetri rotazionali con sistema sensorio a cilindri coassiali.
c) Flusso attraverso tubi o capillari
La velocità di flusso ha un andamento parabolico rispetto al diametro del tubo.
d) Flusso tra piatti paralleli o tra piatto e cono
Quando uno dei due è stazionario e l'altro ruota.
Questo tipo di flusso si ha nei viscosimetri rotazionali con sistema sensorio di misura a doppio piatto o piatto/cono.
LA LEGGE DELLA VISCOSITÀ
1. La legge di Newton
La misura della viscosità dei liquidi richiede dapprima la definizione dei parametri che riguardano il flusso. Si potranno poi trovare opportune condizioni per l'esecuzione del test che consentano la misurazione delle grandezze in modo obiettivo e riproducibile.
Isaac Newton fu il primo a formulare la legge fondamentale della viscosimetria che descrive il comportamento di flusso di un liquido ideale
t = h.D
t = sforzo di taglio (shear stress)
h = viscosità
D = gradiente di velocità (velocità di deformazione, shear rate)
Il modello a piatti piani paralleli ci aiuta a definire sia lo sforzo di taglio, sia il gradiente di velocità.
2. Lo sforzo di taglio
Una forza F applicata ad un'area A (interfaccia tra il piatto superiore ed il liquido sottostante) provoca un movimento (scorrimento) nello strato liquido. La velocità di flusso che può essere mantenuta per una data forza sarà determinata dalla resistenza interna del liquido, cioè dalla sua viscosità
3. Il gradiente di velocità
Lo sforzo di taglio provoca uno scorrimento nel liquido. La massima velocità di scorrimento Vmax si avrà nello strato superiore.
La velocità decresce lungo la sezione fino al valore Vmin = 0 dello strato limite a contatto col piatto stazionario. Si dovrà inoltre ipotizzare che si lavori in un regime laminare, il che significa che gli strati liquidi infinitamente sottili scivolano uno sull'altro come le carte di un mazzo da gioco.Uno strato laminare risulta allora spostato rispetto allo strato adiacente di una frazione dello spostamento totale che si ha nel liquido tra i piatti.
Nella sua forma generale il gradiente di velocità D è definito dal differenziale:
Nel caso di una caduta lineare della velocità lungo la sezione, il differenziale può essere approssimato in
In letteratura spesso troviamo il gradiente di velocità indicato con
Il punto sopra indica che il gradiente di velocità è la derivata rispetto al tempo della deformazione provocata dallo sforzo di taglio che agisce sul liquido.
Il paragone tra le equazioni (1) e (7) ci indica un'altra sostanziale differenza tra solidi e liquidi: lo sforzo di taglio provoca una deformazione nei solidi, mentre nei liquidi esso provoca la derivata rispetto al tempo della deformazione(velocità di deformazione). Questo significa che nei solidi la forza ha la sua importanza così come è, mentre nei liquidi è importante conoscere con quale rapidità le forze vengono applicate.
G e h hanno il medesimo scopo di introdurre un fattore di resistenza legato fondamentalmente alla natura del corpo sottoposto a taglio.
4. Viscosità dinamica
Dall'equazione (2) possiamo ricavare la viscosità dinamica h
dove
L'unità della viscosità dinamica è il "Pascal.secondo". Altra unità spesso usata è il "milli Pascal.secondo"
1 Pa.s = 1000 m Pa.s
E' importante ricordare che la "vecchia" unità di misura della viscosità dinamica, il centi Poise, è ad essa legata da:
1 m Pa.s = 1 cP
Tipici valori della viscosità a 20°C (mPa.s):
petrolio |
0,65 |
crema caffè |
10 |
acqua |
1 |
olio oliva |
102 |
mercurio |
1,5 |
miele |
104 |
mosto d'uva |
2‑5 |
catrame |
106 |
sangue (37°C) |
4‑15 |
bitume |
108 |
5. Viscosità cinematica
Quando il test sui liquidi Newtoniani viene fatto a mezzo di viscosimetri a capillare, come l'Ubbelohde o il Cannon Fenske, la viscosità viene determinata come viscosità cinematica n .
La forza di gravità agisce come forza trainante che provoca il passaggio del liquido attraverso il capillare. Altro parametro di fondamentale importanza è la viscosità del campione.
La viscosità cinematica e la viscosità dinamica sono legate dalla
n = viscosità cinematica, unità di misura mm2/s.
= densità
Altre unità di misura spesso usate sono lo "Stokes"(St) o il "centiStokes" (c St)
LE CURVE DI FLUSSO E DI VISCOSITÀ
La correlazione tra sforzo di taglio e gradiente di velocità che definisce il comportamento reologico di un liquido può essere graficamente riportata in diagramma t/D. Il diagramma prende il nome di "curva di flusso". In figura è riportato il tipo più semplice di curva di flusso. La viscosità nell'equazione (2) viene assunta come costante e non dipendente da D.
Altro diagramma assai comune è quello che riporta h in funzione di D. Questo diagramma è chiamato "Curva di viscosità".
La curva di viscosità è la corrispondente della curva di flusso. Le misure di viscosità portano sempre a tracciare prima la curva di flusso. I suoi risultati possono essere poi manipolati matematicamente per consentire di tracciare la corrispondente curva di viscosità.
PARAMETRI DI VISCOSITÀ
La viscosità, nel descrivere la proprietà fisica di un liquido a resistere a taglio, dipende da 5 parametri indipendenti tra loro:
h = f(S,T,P,D,t)
"S" Questo parametro caratterizza la natura fisico-chimica di una sostanza, cioè se il liquido è acqua, olio, miele...etc.
"T" Questo parametro è legato alla temperatura della sostanza. L'esperienza quotidiana mostra che la viscosità è enormemente influenzata da variazioni di temperatura. Ad esempio, la viscosità di taluni olii minerali scende del 10% per aumento di temperatura di solo 1°C.
"P" pressione ‑ La pressione comprime i fluidi, provoca perciò un aumento della resistenza intermolecolare. I liquidi sono comprimibili sotto l'azione di altissime pressioni. L'aumento di pressione tende a far aumentare la viscosità Ad es., l'innalzamento della pressione per i fanghi di trivellazione dal valore ambiente a 1000 bars, aumenta la loro viscosità del 30%.
"D" gradiente di velocità di scorrimento. E' un fattore fondamentale per la viscosità di moltissimi liquidi. L'aumento del gradiente di velocità può fare aumentare o diminuire la viscosità.
"t" tempo ‑ Denota il fenomeno che la viscosità di alcune sostanze (comunemente le dispersioni) dipende dalla loro storia; in altre parole dipende dal periodo di tempo in cui la sostanza è stata sottoposta a continuo sforzo di taglio, o è stata a riposo prima del test.
Fonte: http://ingchimica.altervista.org/download/LEZIONE%2010%20PP%20produzione.doc
Sito web: http://ingchimica.altervista.org/
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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