Viskozitenin Tanımı - Sıvıların Viskozite Ölçümü - Gazların Viskozite Ölçümü Nasıl yapılır - Viskozite Hakkında - Çözeltilerin Viskoziletesi
Viskozitenin tanımı;
Bir akışkanın (sıvı veya gaz) viskozitesi, akışkan üzerine uygulanan kaydırma kuvvetinin karşılaştığı sürtünme direncinin bir ölçüsüdür. Bir akışkan bir yüzey üzerinden geçerek aktığı zaman, yüzeye hemen komşu olan akış tabakası durgun haldedir; yüzeyden itibaren birbirini izleyen tabakaların hızları giderek artar, yani yüzeye yakın tabakaların hızları düşük, yüzeyden uzak olan tabakaların hızları ise daha yüksektir. Şekil 1 de dv kadar akma hızı farkına sahip ve birbirinden dx kadar bir mesafe ile ayrılmış halde, bir akışkan içerisinde birbirine paralel iki tabaka görülmektedir. Newton’un viskoz akış (diğer adıyla laminer veya tabakalı akış) kanununa göre sıvı içerisindeki iki komşu tabakanın birbirlerine göre hareketine direnç gösteren F sürtünme kuvveti, A alanı dv/dx hız gradienti ile orantılıdır. Bu durum aşağıdaki şekilde matematiksel olarak ifade edilebilir
Şekil1 . Viskozite katsayısının (h ) tanımı. Herbirinin alanı A olan ve birbirlerinden dx kadar bir uzaklıkta bulunan paralel iki akışkan tabakası. Tabakalar arası hız farkı dv dir.
Orantı katsayısı h , “viskozite katsayısı” veya basitçe viskozite olarak bilinir.
SI birim sisteminde viskozitenin birimi pascal saniyedir. (Pa.s) Pa.s(pascal.saniye) birimi ;kg m-1s-1 yani (kütle)-1(zaman)-1 veya N s m-2 ile eşdeğerdir. CGS birim sistemindeki viskozite birimi poise (g cm-1 s-1)dir. 1 poise(puvaz)=0,1 Pa.s veya 1cP(santipuvaz)=1mPa s(mili Pa s)dır.
Eşitlik 1 uygulandığı akış, laminer(tabakalı) veya Newton akış veya diğer bir ifade ile viskoz akış adıyla bilinir. Bu akış şeklinde, moleküler hızların net bileşeni sıvının akış yönünde olup, akan sıvı tabakalarının birbirini kesmediği düşünülür. Sıvının akış hızının çok büyük olmadığı durumlarda laminer akış şekli gözlenir. Hızlı akma durumlarında tabakalı akış kaybolup türbülanslı akış(diğer adıyla girdaplı akış ) şekli ortaya çıkar. Bu akışta akan sıvı tabakaları birbirini keser ve bu durumda Eşitlik 1 artık uygulanmaz. Bu akış tipleri 1883 de ilk defa Osborne Reynolds tarafından yapılan bir deneyle ortaya konmuştur. Reynolds’un deneyinde cam bir boru içi içi su dolu bir depoya bağlanmış olup, boru içindeki suyun akma hızı arzu edilen değere ayarlanabilmektedir. Borunun giriş ucuna bir nozul (emzik) konularak boru içerisinde renklendirilmiş su verilebilmektedir. Bu deneye ait düzenek Şekil 2 de görülmektedir. Reynolds yapmış olduğu deneyler sonucunda, suyun akma hızı az olduğunda renkli suya ait akım iplikçiğinin bütün boru boyunca devam ettiğini görmüştür.
Şekil 2. Reynolds deneyine ait düzenek
Reynolds bu deneyi borunun değişik noktalarındaki kesitlere uygulamış ve bu kısımlarda renkli suya ait akım iplikçiğinin bozulmadığını akışkanın birbirine paralel ve düz doğrular boyunca aktığını görmüştür. Akışkanın akım hızı arttırıldığında, hızın belirli bir değerinden sonra renkli suya ait akım iplikçiğinin ortadan kalktığı ve bütün su kütlesinin renklendiği görülmüştür. Diğer bir ifadeyle yüksek akış hızlarında, suyu meydana getiren parçacıklar borunun uzun ekseni boyunca birbirine paralel hareket etmeyip, borunun kısa ekseni boyunca da hareket etmeye başlar ve böylece tam bir karışma (yani türbülans ) meydana gelir. Akımın bu şekilde bir tipten diğerine değiştiği andaki sıvı akım hızı “kritik hız” olarak adlandırılır. Reynolds daha sonra yaptığı deneylerde bu iki tip akış şeklini meydana geliş şartlarını incelemiş ve kritik hızın ; boru çapına, akışkanın akışkan hızına yoğunluğuna ve viskozitesine bağlı olduğunu bulmuş ve bu 4 faktörün sadece bir şekilde gruplandırılabileceğini göstermiştir. Reynolds un ileri sürdüğü ve Reynold sayısı olarak bilinen ifade;
şeklinde verilmektedir. Reynold sayısı hidrodinamik incelemelerde büyük bir önem taşır ve kimya mühendisliğinde yaygın şekilde kullanılır. Reynolds sayısının 2000 den büyük olduğu değerlere karşılık gelen akış hızlarında türbülans ile karşılaşılır.
Sıvının Viskozitesi Üzerine Sıcaklık ve Basınç Etkisi
Çoğu sıvıların viskozitesi, artan sıcaklıkla azalır. Boşluk (hole) teorisine göre bir sıvı içerisinde boşluklar bulunmaktadır ve moleküller sürekli boşluklara doğru hareket ederler. Bu olay akışa izin verir, fakat bir molekülün bir boşluğa taşınması bir aktivasyon enerjisine ihtiyaç duyduğundan enerji gerektirir. Yüksek sıcaklıklarda aktivasyon enerjisi daha kolay temin edileceğinden sıcaklık yükseldikçe sıvı daha kolay akar. Viskozitenin sıcaklıkla değişimi aşağıdaki ifade ile gösterilir.
Buradaki Ea viskoz akışa ait aktivasyon enerjisidir.
Diğer yandan artan basınçla bir sıvının viskozitesi artar, çünkü basıncın arttırılması sıvı içerisindeki boşluk sayısını azaltır ve bunun sonucu moleküllerin hareketi zorlaşır.
Gazların Viskozitesi
Bir akışkan içerisinde, farklı hızlarla hareket eden iki paralel plaka arasındaki sürtünme kuvvetinden dolayı viskozitenin ortaya çıktığını gördük. Gazlara ait viskozite teorisi sıvılarınkinden çok farklıdır. Bu deneyde asıl konumuz sıvıların viskozitesi ile ilgili olduğundan, gazların viskozitesine çok kısa bir şekilde değinilecektir.
Gazlarda iki paralel plaka arasındaki sürtünme kuvvetinin doğması, moleküllerin bir plakadan diğerine geçmesinin bir sonucudur. Gazların viskozite modeli anlayabilmek için faydalı bir benzetme olarak ; Δv kadar farklı hızlarla paralel hatlar üzerinde aynı yönde hareket eden iki treni göz önüne alabiliriz. Yolcuların bir trenden diğerine atlayarak eğlenen garip kişiler olduklarını düşünelim. Hızlı giden trenden yavaş giden trene atlayan bir yolcu, yavaş giden bir trene mΔv kadar bir momentum aktarır ve bunun sonucu onun hızını arttırıcı bir etki yapar. Bu olayın aksi olursa, yani yavaş seyreden trenden hızlı seyreden trene bir yolcu atladığında mΔv kadar bir momentumu hύzlıdan alır ve onun hızını yavaşlatıcı bir etki yapar. Sonuç olarak, trenlerin hızları eşitlenmeye doğru gider ve net etki trenler arasında, sanki bir sürtünme varmış gibi kendini gösterir. İşte aynı durum akmakta olan gaz katmanları (veya düzlemleri) arasında söz konusudur. Gazın yoğunluğu ve basıncı gazın viskozitesine etki etmez. Bu durum ilk bakışta şaşırtıcı gibi gözükmekte ise de açıklanması zor değildir. Daha yüksek yoğunluklarda, bir tabakadan komşu tabakaya daha çok molekül atlar, fakat ortalama serbest yol daha kısa olduğundan her bir atlama daha az momentum aktarımına yol açar. Böylece iki etki birbirini yok eder.
Çözeltilerin Viskozitesi
Temel prensiplere dayalı olarak çözeltilerin viskozitelerinin iyi bir şekilde irdelenmesi zor bir iştir. Bundan dolayı çözeltilerin viskoziteleri daha ziyade deneysel olarak incelenmektedir. Özellikle, polimer moleküllerinin çözeltilerinin viskoziteleri incelenerek polimer moleküllerinin büyüklüğü ve şekli hakkında bilgiler elde edilir. Su gibi bir sıvıya bir çözünen eklendiği zaman, genellikle viskozite artar.
alıntıdır