Viskozite, bir sıvının içinde hareket etmeye ne kadar dirençli olduğunun bir ölçüsüdür. Düşük viskoziteli bir sıvıya ince, yüksek viskoziteli bir sıvıya kalın denir. Örneğin su gibi düşük viskoziteli bir sıvıdan geçmek, bal gibi yüksek viskoziteli bir sıvıdan daha kolaydır. Kısacası viskozite, sıvının kalınlığını ifade eder ve bir sıvıdaki moleküller arasındaki etkileşimden veya sürtünmeden kaynaklanır. Hareket eden katılar arasındaki sürtünmeye benzer şekilde, bir sıvı akışı yapmak için gereken enerjiyi belirler.
Fizikte viskozite, genellikle Newton’un ikinci hareket yasasına benzeyen, Isaac Newton’un akışkanlar denklemi kullanılarak ifade edilir. Bu yasa, bir cisme bir kuvvet etki ettiğinde cismin hızlanmasına neden olacağını belirtir. Cismin kütlesi ne kadar büyükse, onu hızlandırmak için kuvvetin o kadar büyük olması gerekir.
Viskozite Formülü
Viskozite formülü genellikle F / A = n (dv / dr) Newton’un akışkanlar denklemi kullanılarak ifade edilir. Burada F kuvveti ve A alanı temsil eder, dolayısıyla F/A veya kuvvet bölü alan, viskoziteyi tanımlamanın başka bir yoludur. Dv bölünmüş dr, saf hızı veya sıvının hareket ettiği hızı temsil eder ve N, sabit bir ünite 0,00089 eşittir. Pa s bir dinamik viskozite ölçüm birimi (Paskal-saniye). Bu yasa, mürekkep püskürtmeli baskı, protein formülasyonları/ enjeksiyonları ve yiyecek/içecek imalatı gibi bazı önemli pratik uygulamalara sahiptir.
Newtonsal ve Newtonsal Olmayan Akışkan Viskozitesi
Newton akışkanları olarak adlandırılan en yaygın akışkanlar sabit bir viskoziteye sahiptir. Kuvveti artırdıkça daha büyük bir direnci vardır, ancak bu sabit orantılı bir artıştır. Kısacası, Newtonsal bir sıvı, içine ne kadar kuvvet konulsa da sıvı gibi davranmaya devam eder. Buna karşılık, Newton olmayan akışkanların viskozitesi sabit değildir, uygulanan kuvvete bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Newton olmayan bir sıvının klasik bir örneği, üzerinde büyük miktarda kuvvet kullanıldığında katı benzeri davranış sergileyen Oobleck’tir. Newton olmayan akışkanların bir başka grubu, manyetoreolojik akışkanlar olarak bilinir. Bunlar, manyetik alanlara neredeyse katı hale gelerek, ancak manyetik alandan çıkarıldıklarında sıvı hallerine geri dönerek tepki verirler.
Newtonsal Olmayan Sıvılar
Newton denklemi, viskozite adı verilen bir nicelik aracılığıyla kayma gerilimi ve hız gradyanını ilişkilendirir. Bir Newton tipi sıvı viskozitesi sadece bir sayı olduğu bir dengedir. Newton yasalarına uygun olmayan sıvı viskozitesi kesme stresi ya da zaman gibi bazı mekanik değişkenin bir fonksiyonu olan bir sistemdir. Ayrıca zamanla değişen Newton olmayan sıvıların bir hafızası olduğu söylenir. Bazı jeller ve macunlarla çalışıldığında veya çalkalandığında bir sıvı gibi davranır ve daha sonra dinlenme halindeyken neredeyse katı bir duruma yerleşir. Bu tür malzemeler, kesme ile inceltme sıvılarının örnekleridir. Örneğin ev boyası, kesme ile inceltici bir sıvıdır ve bu da iyi bir şeydir. Fırçalama, yuvarlama veya püskürtme, geçici olarak kesme gerilimi uygulama yöntemleridir. Bu boyanın viskozitesini, artık aplikatörden dışarı ve duvara veya tavana akabileceği noktaya kadar azaltır.
Bu kayma gerilimi ortadan kaldırıldığında, boya, uygun şekilde ince bir tabakanın sıvıdan çok katı gibi davranacağı ve boya akmayacağı veya damlamayacağı kadar büyük olan durgun viskozitesine geri döner. Karşılaştırma için su veya bal ile boyamanın nasıl olacağını düşünün. İlki her zaman çok cıvıktır ve ikincisi her zaman çok yapışkandır. Diş macunu, stres altında viskozitesi azalan bir başka malzeme örneğidir. Diş macunu tüpün içinde dururken katı gibi davranır, ancak kapak çıkarıldığında kendiliğinden akmaz ve sıkıldığında akar. Artık katı gibi davranmayı bırakır ve koyu bir sıvı gibi davranmaya başlar. Diş fırçası düştüğünde, stres serbest kalır ve diş macunu neredeyse katı bir duruma geri döner. Ağza kaldırırken fırçadan akması konusunda endişelenmeye gerek yoktur. Kayma ile inceltme sıvıları üç genel gruptan birinde sınıflandırılabilir ve bu sınıflandırma aşağıdaki gibidir:
• Psödoplastik kayma gerilmesi altında viskozitesi azalan ancak zamanla sabit kalan bir malzeme,
• Tiksotropik kayma gerilmesi altında viskozitesi azalan ve daha sonra zamanla azalmaya devam eden malzeme,
• Bingham plastiği, yüksek viskoziteden (neredeyse yarı katı) düşük viskoziteye (esas olarak sıvı) geçiş, ancak kesme gerilimi bir minimum değeri aştıktan sonra gerçekleşen malzeme,
İşlendiğinde veya çalkalandığında kalınlaşan malzemelere kesme kalınlaştırıcı akışkanlar denir. Fen derslerinde sıklıkla gösterilen bir örnek, doğru oranlarda karıştırılmış mısır nişastası ve sudan yapılan bir hamurdur. Ortaya çıkan tuhaf yapışkan madde, yavaş sıkıldığında sıvı, hızlı sıkıldığında ise esnek bir katı gibi davranır.
Kayma kalınlaştırıcı akışkanlar da iki gruba ayrılır: zamana bağlı viskoziteye sahip olanlar (bellek malzemeleri) ve zamandan bağımsız viskoziteye sahip olanlar (bellek olmayan malzemeler). Viskozitedeki artış zamanla artarsa, malzemenin reopektik olduğu söylenebilir. Artış, kesme gerilimi ile kabaca doğru orantılıysa ve zamanla değişmiyorsa, malzemenin dilatan olduğudur.
Günlük Yaşamda Viskozite Neden Önemlidir?
Viskozite günlük hayatta önemsiz gibi görünse de aslında birçok farklı alanda çok önemli olabilir. Buna örneklerden bazıları aşağıdaki gibidir:
• Araçlarda yağlama: çoğu kişi aracına yağ koyduğunda, viskozitesinin farkındadır. Bunun nedeni viskozitenin sürtünmeyi etkilemesi ve sürtünmenin de ısıyı etkilemesidir. Ayrıca viskozite, yağ tüketim oranını ve aracın sıcak veya soğuk koşullarda çalıştırma kolaylığını da etkiler. Bazı yağlar daha kararlı bir viskoziteye sahipken, bazıları sıcağa veya soğuğa tepki verir. Yağın viskozite indeksi düşükse, ısındıkça incelebilir ve bu da sıcak bir yaz gününde aracı çalıştırırken sorunlara neden olabilir.
• Yemek pişirme: Viskozite, yiyeceklerin hazırlanmasında ve sunumunda önemli bir rol oynar. Yemeklik yağlar ısındıkça viskoziteyi değiştirebilir veya değiştirmeyebilir, ancak birçoğu soğudukça daha viskoz hale gelir. Isıtıldığında orta derecede viskoz olan yağlar, soğutulduğunda katı hale gelir. Farklı mutfaklar ayrıca sosların, çorbaların ve yahnilerin viskozitesine de dayanır. Örneğin kalın bir patates ve pırasa çorbası, daha az viskoz olduğunda Fransız viskozite olur. Bazı viskoz sıvılar gıdalara doku katar, örneğin bal oldukça viskozdur ve bir yemeğin ağızdaki hissini değiştirebilir.
• İmalat: Üretim ekipmanının sorunsuz çalışması için uygun yağlama gerekir. Çok viskoz olan yağlayıcılar boru hatlarını sıkıştırabilir ve tıkayabilir. Çok ince yapıda olan yağlayıcılar hareketli olan parçalardaki koruması çok azdır.
• İlaç: Sıvılar vücuda intravenöz olarak verildiğinden, viskozite tıpta kritik öneme sahip olabilir. Kan viskozitesi önemli bir sorundur: çok viskoz kan tehlikeli iç pıhtılar oluşturabilirken çok ince kan pıhtılaşmaz ve bu tehlikeli kan kaybına hatta ölüme neden olabilir.
Viskoziteyi Etkileyen Faktörler
Viskozite her şeyden önce malzemenin bir fonksiyonudur. 20 °C’de suyun viskozitesi 1,0020 milipaskal saniyedir ve bu, tek başına tesadüfen bire uygun bir şekilde yakındır). Çoğu sıradan sıvının viskoziteleri 1 ila 1.000 mPa s mertebesindeyken gazların viskoziteleri 1 ila 10 μPa s mertebesindedir. Macunlar, jeller, emülsiyonlar ve diğer karmaşık sıvılar özetlemek daha zordur. Tereyağı veya margarin gibi bazı yağlar o kadar viskozdur ki, akan sıvılardan çok yumuşak katılar gibi görünürler. Erimiş cam son derece viskozdur ve katılaştıkça sonsuz viskoziteye yaklaşır. Süreç gerçek dondurma kadar iyi tanımlanmadığından, bazıları camın tamamen soğuduktan sonra bile akabileceğine inanır, ancak bu durum böyle değildir. Normal sıcaklıklarda, camlar gerçek katılar kadar katıdır.
Günlük deneyimlerden, viskozitenin sıcaklığa göre değiştiği yaygın bir bilgi olmalıdır. Bal ve şuruplar ısıtıldıklarında daha kolay akışkan hale getirilebilir. Motor yağı ve hidrolik sıvıları soğuk günlerde gözle görülür şekilde kalınlaşır ve kış aylarında otomobillerin ve diğer makinelerin performansını önemli ölçüde etkiler. Genel olarak, basit bir sıvının viskozitesi artan sıcaklıkla azalır. Sıcaklık arttıkça sıvıdaki moleküllerin ortalama hızı artar ve en yakın komşularıyla temas halinde geçirdikleri süre azalır. Böylece, sıcaklık arttıkça, ortalama moleküller arası kuvvetler azalır. İki miktarın değişme şekli lineer değildir ve sıvı faz değiştirdiğinde aniden değişir.
Viskozite normalde basınçtan bağımsızdır, ancak aşırı basınç altındaki sıvılar genellikle viskozitede bir artış yaşar. Sıvılar normalde sıkıştırılamaz olduğundan, basınçtaki bir artış, molekülleri birbirine önemli ölçüde yakınlaştırmaz. Basit moleküler etkileşim modelleri bu davranışı açıklamak için çalışmaz ve bilindiği kadarıyla, genel olarak kabul edilen daha karmaşık bir model yoktur. Sıvı faz, muhtemelen maddenin tüm fazları arasında en az anlaşılandır.
Sıvılar ısındıkça akışkanlaşırken gazlar kalınlaşır. Gazların viskozitesi sıcaklık arttıkça artar ve yaklaşık olarak sıcaklığın kareköküyle orantılıdır. Bunun nedeni, daha yüksek sıcaklıklarda moleküller arası çarpışmaların sıklığındaki artıştır. Bir gazdaki moleküller çoğu zaman boşlukta serbestçe uçtuğundan, bir molekülün diğeriyle temas etme sayısını artıran herhangi bir şey, moleküllerin bir bütün olarak koordineli harekete geçme yeteneğini azaltır. Bu moleküller birbirleriyle ne kadar çok çarpışırlarsa, hareketleri o kadar düzensiz hale gelir.
Kılcal Viskozimetre
Fransız doktor ve fizyolog Jean Poiseuille (1799-1869) tarafından dairesel tüplerdeki sıvı akışını tanımlayan matematiksel ifade belirlenmiştir. Alman hidrolik mühendisi Gotthilf Hagen (1797-1884) tarafından da bağımsız olarak keşfedildiği için, tam olarak Hagen-Poiseuille denklemi olarak bilinmelidir, ancak genellikle Poiseuille denklemi olarak adlandırılır.
Kaynakça:
libretexts.org/Bookshelves/Classical_MechanicsFluids/1.4%3A_Viscosity
study.com/what-is-viscosity-definition-measurement-equation-video.html
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu