粘度とは何ですか？

流体の粘度は、流れに対する抵抗の尺度です。 移動する流体の内部摩擦について説明します。 粘性流体は、その分子構造が多くの内部摩擦を生み出すため、動きに抵抗します。 低粘度の流体は、分子構造が動いているときに摩擦がほとんど発生しないため、流れやすくなります。

分子レベルでは、粘度は流体内の異なる分子間の相互作用によって引き起こされます。 これは、分子間の摩擦と見なすこともできます。 移動する固体間の摩擦の場合と同様に、粘度によって流体の流れを作るために必要なエネルギーが決まります。

これを視覚化する最良の方法は、例を使用することです。 底に穴のある発泡スチロール製のカップを考えてみましょう。 蜂蜜を注ぐと、カップの排水が非常に遅いことに気づきました。 これは、他の液体に比べて蜂蜜の粘度が比較的高いためです。 たとえば、同じカップに水を入れると、水ははるかに速く排出されます。 低粘度の流体は「薄い」と言われ、高粘度の流体は「厚い」と言われます。 高粘度の液体（蜂蜜など）よりも低粘度の液体（水のような）を通過する方が簡単です。

粘度に影響を与える要因

粘度は多くの要因の影響を受けます。 例としては、温度、圧力、および他の分子の追加が含まれます。 圧力は液体にわずかな影響を及ぼし、しばしば無視されます。 分子を追加すると、大きな影響を与える可能性があります。 たとえば、砂糖は水をより粘稠にします。

ただし、温度は粘度に最も大きな影響を与えます。 液体の温度が上昇すると、分子間引力に打ち勝つために十分なエネルギーが分子に与えられるため、粘度が低下します。 粘度に対する温度の影響は、ガスの場合は逆です。 ガス温度が上昇すると、粘度が上昇します。 ガスの粘度は、分子間引力の影響をあまり受けませんが、温度の上昇によって影響を受け、より多くの分子が衝突します。

動粘度と動粘度

粘度を報告する方法はXNUMXつあります。 絶対または 動粘度 は、流体の流れに対する抵抗の尺度です。 動粘度 は、流体の密度に対する動的粘度の比率です。 関係は単純ですが、同じ動的粘度値を持つXNUMXつの流体は密度が異なり、したがって動粘度値が異なる可能性があることを覚えておくことが重要です。 そしてもちろん、動粘度と動粘度の単位は異なります。

粘度単位

粘度のSI単位は、2平方メートルあたりニュートン秒（N・s / m1）です。 ただし、粘度はパスカル秒（Pa・s）、キログラム/メートル/秒（kg・m-1・s-1）、ポアズ（Pまたはg・cm-1・s-）で表されることがよくあります。 0.1 = 20Pa・s）またはセンチポアズ（cP）。 これにより、1°Cでの水の粘度は約1 cPまたはXNUMXmPa・sになります。

アメリカとイギリスのエンジニアリングでは、もう2つの一般的な単位は2平方フィートあたりのポンド秒（lb・s / ftXNUMX）です。 代替の同等の単位は、XNUMX平方フィートあたりのポンド力秒（lbf・s / ftXNUMX）です。

動的粘度単位

落ち着き（記号：P）

Poise（記号：P）フランスの医師Jean Louis Marie Poiseuille（1799– 1869）にちなんで名付けられた、これはCGSの粘度の単位で、1平方センチメートルあたりのダイン秒に相当します。 これは、1平方センチメートルあたり1ダインの接線力が、0.01センチメートル離れた0.5つの平行な平面間で毎秒1000センチメートルの速度差を維持する流体の粘度です。 高粘度の流体に関しても、この単位は通常、XNUMXポアズであるセンチポアズ（cP）として発生します。 多くの日常の液体の粘度はXNUMX〜XNUMXcPです。

パスカル秒（記号：Pa・s）

これは粘度のSI単位であり、2平方メートルあたりのニュートン秒（N・sm–0.1）に相当します。 「ポアズイユ」（Pl）と呼ばれることもあります。 10つのポアズは正確に1000Pa・sです。 1つのパスカル秒は1ポアズまたはXNUMXcPですが、XNUMX cP = XNUMXmPa・s（XNUMXミリパスカル秒）です。

動粘度単位

ストークス（記号：St）

これはcgs単位で、3秒あたりの平方センチメートルに相当します。 0.01ストロークは、ポアズの粘度をg cm–XNUMXの流体の密度で割ったものに等しくなります。 これは通常、センチストークス（cSt）（= XNUMXストークス）として発生します。

セーボルト秒ユニバーサル

これは、試験方法ASTM D 60で規定されているように、動粘度指定温度でSayboltユニバーサル粘度計の校正済みオリフィスを88 mlの流体が流れる時間です。より高い粘度には、SSF（Saybolt Seconds Furol）が使用されます。

粘度の式

1つのプレート間の流れの基本モデル[XNUMX]

外力の比率（F）患部へ（A）は、 せん断応力 (σ):

σ = F/A

この せん断ひずみ (γ）は、外力による材料の長さの相対的な変化として定義されます。

γ = l/l₀

せん断応力との比率（σ）およびせん断ひずみ（γ）は、 モジュラス (G):

G = σ/ γ

図1の天板が特定の速度で動いている場合（v）、速度勾配 dv/dx として定義されています せん断速度 (γ̇）。 運動と万有引力の法則を定式化したアイザックニュートン卿は、理想的な流体（ニュートン流体として知られている）では、せん断応力（σ）はせん断速度に直接関係します（γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

ニュートン流体と非ニュートン流体

ニュートン流体は、それらが呼ばれるように、一定の粘度を持っています。 力を大きくすると抵抗が大きくなりますが、比例して大きくなります。 ニュートン流体にいくら力を加えても、流体のように作用し続けます。 A ニュートン流体 はニュートンの摩擦の法則に従う流体であり、粘度はひずみ速度に依存しません。

せん断速度や攪拌の変化に関係なく、粘度は一定に保たれます。 ポンプ速度が上がると、それに比例して流量が増えます。 ニュートン挙動を示す液体には、水、鉱油、シロップ、炭化水素、および樹脂が含まれます。

非ニュートン流体

A 非ニュートン流体 ニュートンの摩擦の法則に従わないものです。 ほとんどの流体システムは、ニュートン流体ではありません（ 非ニュートン流体）およびそれらの粘度は一定ではありませんが、適用されるせん断速度の増減の関数として変化します。

多くの流体は、せん断速度の増加の関数として粘度の低下を示します。 これらの流体はと呼ばれます 擬塑性流体。 これらのシステムの流体の「構造」は、外力によって破壊され、その結果、 ずり流動化 行動。 最初の粒子間（または分子）の結合が強い場合、システムは静止している固体のように動作する可能性があります。 内力に打ち勝ち、構造を破壊するために必要な初期せん断応力は、次のように定義されます。 歩留まり値 システムの。 降伏値を示し、せん断速度の増加に伴ってずり流動化を示す材料は、次のように定義されます。 プラスチック流体。 一部の流体は、せん断速度の増加に伴って粘度が増加します。これは、 せん断増粘。 これらの材料は次のように定義されます ダイラタント液.

せん断速度の関数としてのせん断応力[1]

せん断速度の関数としての粘度[1]

時間の経過に伴う流動挙動：チキソトロピー

複雑な流体は、外力が取り除かれると、時間の経過とともに再配列します。 したがって、粘度は、構造が破壊されるときにせん断速度を上げるだけでなく、システムが再構築されるときにせん断速度を下げることによっても測定する必要があります。 これはヒステリシスと呼ばれます。

高速回復では、粘度とせん断速度の減少のプロットが、粘度とせん断速度の増加のプロットに重ね合わされます。 流体がその構造を復元するのに時間がかかる場合、「下降曲線」は「上昇曲線」の下になります。 チキソトロピー は、せん断速度が増加するとせん断減粘を示し、せん断速度が減少すると回復が遅くなることを示します。 の 非チキソトロピー 材料では、「上」と「下」の曲線が重なり、 レオペクティック 材料の場合、「下」の曲線は「上」の曲線の上にあります。

しかし、チキソトロピー流体が擬塑性流体と間違われることがあり、レオペクチック流体がダイラタント流体と間違われることがありますが、これらXNUMXつのタイプの流体はXNUMXつの重要な点で異なります。時間依存性です。 ダイラタントおよび疑似塑性流体の応力に対する粘度の変化は、時間に依存しません。 ただし、チキソトロピー流体の場合、応力が長くなるほど、応力が増加すると粘度が低下します。 同じことがレオペクチック流体にも当てはまります。粘度は、応力が増加するにつれて増加し、前述の応力が長く適用されるほど長くなります。

チキソトロピー性を示す製品を日常生活で多く使用しています。 チキソトロピーは、ヘアジェルや歯磨き粉などのパーソナルケア製品が、絞ると液体から固体に変化するが、その後、形状を維持するために固体状態に戻る理由を説明する特性です。 時間に関連する構造分解と再生のレオロジー特性は、製品の品質を決定します。

せん断速度の関数としての粘度–チキソトロピーおよび非チキソトロピー挙動（矢印はせん断速度の増加または減少を示します）[1]

時間の経過に伴う応力に関する粘度（チキソトロピー対レオペクチック挙動）[2]

日常生活における粘度の重要性

多くの異なる分野で、粘度は日常生活ではそれほど重要ではないように見えますが、実際には非常に有用です。 例えば：

• 車両の潤滑。車やトラックにオイルを入れるときは、その粘度を考慮する必要があります。 粘度が摩擦に影響し、それが熱に影響するためです。 さらに、粘度は、オイル消費率と、高温および低温状態での車両の始動のしやすさの両方に影響します。 一部のオイルの粘度は、加熱および冷却しても同じままですが、他のオイルは加熱すると薄くなり、暑い夏の日に車を運転するときに問題が発生します。
• 食品の調理と提供において、粘度は重要な役割を果たします。 多くの食用油は、冷却するとはるかに粘度が高くなりますが、粘度がまったく変化しないものもあります。 脂肪は加熱すると粘稠であるため、冷却すると固くなります。 ソース、スープ、シチューの粘度も、さまざまな料理で重要です。 間引くと、濃厚なジャガイモとネギのスープがフレンチビシソワーズになります。 たとえば、蜂蜜は非常に粘り気があり、特定の食品の「口当たり」を変える可能性があります。
• 製造中の機器は、スムーズに動作するように適切に潤滑する必要があります。 パイプラインは、粘性のある潤滑剤によって詰まったり詰まったりする可能性があります。 薄い潤滑剤は、可動部品の保護が不十分です。
• 液体を静脈内注射する場合、粘度が重要になる可能性があります。 主な懸念事項は血液粘度です。粘性が高すぎる血液は内部の血栓を形成する可能性がありますが、薄すぎる血液は凝固せず、危険な失血や死に至ることさえあります。

いくつかの典型的な粘度