Lepkość – definicje i jednostki

Lepkość to właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Same pojęcia „lepkość” i „opór” nie są sobie równoważne. Lepkość definiowana jest dla laminarnego modelu przepływu, który opisuje w sposób uproszczony przepływ zachodzący przy małych prędkościach w postaci warstw nie ulegających mieszaniu. Lepkość charakteryzuje zdolność do przekazywania pędu pomiędzy sąsiadującymi warstwami płynu poruszającymi się z różnymi prędkościami. Zjawisko to zachodzi dzięki pojawieniu się na granicy warstw naprężeń ścinających. Różnice w prędkościach warstw są opisywane przez tzw. szybkość ścinania.

Wyróżnia się dwie podstawowe miary lepkości:

1. Lepkość dynamiczna: η=t/(dg/dt),

gdzie: t - naprężenia ścinające, dg/dt – szybkość ścinania, g – prędkość warstwy płynu.

Jednostką lepkości dynamicznej jest [kg/(m•s)] (w układzie SI) lub [cP]=[g/(m•s)] tzw. centypoise (w układzie CGS).

2. Lepkość kinematyczna: η_k=(η/p),

gdzie: p - gęstość płynu.

Jednostką lepkości kinematycznej jest [m²/s] (układ SI) lub [cSt]=[mm²/s] tzw. centystokes (w układzie CGS).
W przypadku przepływu laminarnego, posługując się prawem Newtona, można obliczyć siłę oporu lepkiego występującego przy ruchu w ośrodku lepkim ciał o różnym kształcie oraz szybkość przepływu płynu. Przykładowo, przy przepływie przez rurkę o obwodzie kołowym, płyn nieściśliwy najszybciej płynie środkiem, najwolniej w pobliżu ścianek, natomiast profil prędkości przepływu jest paraboliczny, co zobrazowano na rys. 7.
W przypadku przepływów nielaminarnych, zwanych także turbulentnymi, model teoretyczny jest znacznie bardziej złożony i wymaga wprowadzania innych miar np. lepkości turbulentnej.

Lepkość względna

W celu porównania własności różnych płynów wykorzystywane jest pojęcie lepkości względnej lub lepkości umownej, która jest liczbą bezwymiarową liczoną według określonej zależności. Może być to np. stosunek lepkości dynamicznych cieczy badanej i cieczy wzorcowej h _wzgl=h_c / h_w, gdzie: h_c - lepkość dynamiczna cieczy w temperaturze t_c w [Pa•s], h _w - lepkość dynamiczna cieczy wzorcowej (zazwyczaj wody) w temperaturze t_w w [Pa•s].

Lepkość względną wyraża się w jednostkach umownych, które stanowią stosunek czasu wypływu badanej cieczy do czasu wypływu cieczy wzorcowej lub określają czas wypływu badanej cieczy ze znormalizowanego aparatu. Pomiar odbywa się w ściśle znormalizowanych warunkach. W większości krajów europejskich, lepkość względną określa się za pomocą stopni Englera (^oE). Jest to stosunek czasu wypływu 200cm³ badanej cieczy w danej temperaturze do czasu wypływu tej samej ilości wody destylowanej w temperaturze 20^oC przez znormalizowaną kapilarę aparatu Englera.

W Wielkiej Brytanii i USA określa się lepkość względną za pomocą sekund Redwooda. Jest to czas wypływu 50cm ³ badanej cieczy mierzony w sekundach. W zależności od rodzaju lepkościomierza Redwooda, rozróżnia się dwa rodzaje sekund Redwooda: sekundy Redwooda handlowe i sekundy Redwooda Admirality. We Francji stosowane są stopnie Barbe (^oB), które określają ile cm³ cieczy wypłynie w ciągu godziny z lepkościomierza Barbego.

W USA lepkość wyraża się za pomocą sekund Saybolta. Jest to czas wypływu 60cm ³ badanej cieczy z lepkościomierza Saybolta. W zależności od rodzaju lepkościomierza rozróżnia się dwa rodzaje sekund Saybolta: Saybolt Uniwersal Seconds i Saybolt Furol Seckilka barier, których pokonanie stanowi istotny czynnik potrzebny aby prowadzić dalsze badania nad tym tematem.

Po pierwsze pomiar odbywa się z wysokimi prędkościami ścinania, prowadząc do zachowań nieniutonowskich, nawet w płynach, w których zachowania takie normalnie nie występują. Wymaga to innej analizy zachodzących zjawisk i może wpłynąć na dokładność pomiaru. Kolejnym problemem jest fakt pomiaru płynu jedynie w mikroskopijnym obszarze próbki przyległej do przetwornika pomiarowego.

Jednorodność płynu i rozmiar jego cząsteczek są dodatkowymi własnościami, które wpływają istotnie na dokładność metody. Ponieważ głębokość penetracji d fali akustycznej jest bardzo mała i np. dla wody wynosi 0,05m, metoda pomiarowa nadaje się do pomiaru płynów charakteryzujących się granularnością materiału wielkości dziesiątych części mikrometra. Należy także podkreślić że mierzona wielkość lepkości akustycznej jest dla większości użytkowników konceptualnie inna niż mierzona innymi metodami lepkość kinematyczna.

Wiskozymetry akustyczne są urządzeniami wyjątkowo uniwersalnymi i przemysł dopiero zaczyna korzystać z ich własności, które są niezaprzeczalnie konkurencyjne wobec dotychczas stosowanych metod. Do istotnych zalet należą niska cena oraz wysoka czułość. Pomijając wibracje na poziomie atomowym, sensory w wiskozymetrach akustycznych nie mają ruchomych części i z powodu stosowania wysokich częstotliwości propagowanej fali są niezależne od warunków przepływu oraz odporne na zakłócenia. Ponadto umożliwiają pomiar lepkości w czasie rzeczywistym, co jest szczególne istotne z przemysłowego punktu widzenia.