ویسکوزیته یا گرانروی، به عنوان یکی از محوری‌ترین خواص فیزیکی سیالات شناخته می‌شود و رفتار جریان و مقاومت داخلی سیالات را تعریف می‌کند. این مفهوم اغلب به سادگی به عنوان غلظت یا سفتی یک مایع شناخته می‌شود؛ اما در واقع زبان علمی توصیف اصطکاک داخلی یک سیال است. بررسی دقیق ویسکوزیته در فرآوری پلیمرها در صنایع پتروشیمی، نقشی حیاتی و غیرقابل انکار در کنترل فرآیندها دارد. با این حال، ورود به حیطه تخصصی رئولوژی (علم جریان شناسی مواد) مستلزم تفکیک دو پارامتر کلیدی و در عین حال متفاوت است. این دو پارامت، ویسکوزیته دینامیک و ویسکوزیته کینماتیک هستند.
این دو کمیت، به شدت به هم مرتبط هستند؛ اما هر یک جنبه‌ای منحصربه‌فرد از رفتار سیال را روشن می‌کنند. به همین دلیل، در این مقاله قصد داریم به بررسی تفاوت ویسکوزیته دینامیک و کینماتیک و روش‌های نوین اندازه گیری ویسکوزیته بپردازیم.
ویسکوزیته دینامیک
ویسکوزیته دینامیک را ویسکوزیته مطلق نیز می‌نامند و با نماد یونانی مو (μ) نمایش داده می‌شود. این پارامتر، معیاری مستقیم و بنیادین از مقاومت یک سیال در برابر جاری شدن تحت اعمال تنش برشی است. ویسکوزیته دینامیک به ما می‌گوید که برای به حرکت درآوردن لایه‌های یک سیال بر روی یکدیگر با سرعتی معین، چه مقدار نیرو در واحد سطح لازم است. این مفهوم مستقیماً در قانون ویسکوزیته نیوتن قرار دارد.
Ƭ=µdudy
در این رابطه بنیادین، Ƭ(تنش برشی) نیرویی است که به صورت مماس بر سطح سیال اعمال می‌شود و dudy (نرخ کرنش برشی یا گرادیان سرعت) نشان دهنده تغییرات سرعت بین لایه‌های مجاور سیال است. ویسکوزیته دینامیک، به عنوان ضریب تناسب، ذاتاً این مقاومت داخلی را کمی‌سازی می‌کند.
ریشه‌های مولکولی ویسکوزیته دینامیک
منشأ این مقاومت در سطح مولکولی نهفته است. در مایعات، نیروهای جاذبه بین مولکولی (نیروهای چسبندگی یا Cohesion) عامل اصلی هستند. مولکول‌ها تمایل دارند در کنار یکدیگر باقی بمانند و برای لغزیدن آن‌ها بر روی هم، باید بر این نیروها غلبه کرد. به همین دلیل با افزایش دما، انرژی جنبشی مولکول‌ها افزایش یافته، فاصله بین آن‌ها بیشتر شده و نیروهای چسبندگی ضعیف‌تر می‌شوند؛ در نتیجه، ویسکوزیته دینامیک مایعات به شدت کاهش می‌یابد.
در مقابل، در گازها، مولکول‌ها فاصله زیادی از هم دارند و نیروهای بین مولکولی آن‌ها ناچیز است. در اینجا، ویسکوزیته ناشی از پدیده‌ای متفاوت است که آن را تبادل تکانه (Momentum Exchange) می‌نامند. مولکول‌های گاز به طور تصادفی بین لایه‌هایی که با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کنند، جابجا می‌شوند. این برخوردها و تبادل تکانه باعث ایجاد یک نیروی مقاومتی یا اصطکاک داخلی می‌شود. با افزایش دما، سرعت حرکت مولکول‌ها و تعداد برخوردها افزایش می‌یابد که این امر منجر به افزایش ویسکوزیته دینامیک گازها می‌شود؛ رفتاری که در مایعات کاملاً معکوس است.
واحد استاندارد ویسکوزیته دینامیک در سیستم SI، پاسکال-ثانیه (Pa·s) است. در عمل، واحدهای کوچکتری مانند میلی پاسکال-ثانیه (mPa·s) و سانتی پواز (cP) بسیار رایج هستند (1 cP = 1 mPa·s). به عنوان یک معیار جهانی و کلی، ویسکوزیته آب در دمای 20 درجه سانتی‌گراد را تقریباً 1 cP در نظر می‌گیرند.
ویسکوزیته کینماتیک
همان طور که اشاره کردیم، ویسکوزیته دینامیک به نیروی مورد نیاز برای جریان می‌پردازد؛ اما ویسکوزیته کینماتیک (با نماد نو، ν) به این سوال پاسخ می‌دهد که یک سیال با چه سرعتی تحت نیروی گرانش جریان می‌یابد. این پارامتر، مفهومی مشتق شده است و از تقسیم ویسکوزیته دینامیک بر چگالی سیال (ρ) به دست می‌آید و فرمول آن به صورت زیر است:
ν=μρ
ویسکوزیته کینماتیک را می‌توان به عنوان نفوذپذیری تکانه (Momentum Diffusivity) نیز تفسیر کرد. این مفهوم بیانگر سرعت پخش شدن حرکت (تکانه) در داخل سیال است. سیالی با ویسکوزیته کینماتیک بالا، تمایل کمی به پخش سریع تکانه دارد و حرکت آن کندتر میرا می‌شود. در مقابل، سیالی با ویسکوزیته کینماتیک پایین، تکانه را به سرعت در حجم خود منتقل می‌کند.
این پارامتر به طور ویژه در حوزه‌هایی از دینامیک سیالات که نیروهای حجمی (مانند گرانش) بر نیروهای سطحی (مانند فشار) غالب هستند، اهمیت زیادی پیدا می‌کند. به همین دلیل است که در هیدرولیک کانال‌های باز، فرآیندهای پوشش‌دهی (Coating)، و به ویژه در محاسبه عدد رینولدز (Re)که یک پارامتر بی‌بعد کلیدی برای تعیین رژیم جریان (آرام یا آشفته) است، از ویسکوزیته کینماتیک استفاده می‌شود:
Re= νvL
همانطور که مشاهده می‌شود، استفاده از ν فرمول را ساده‌تر می‌کند و تحلیل ابعادی را تسهیل می‌بخشد. واحد ویسکوزیته کینماتیک در سیستم SI، متر مربع بر ثانیه (m2/s) است. در کاربردهای صنعتی، واحد استوکس (St) معادل 10−4m2/s و به خصوص سانتی‌استوکس (cSt) که معادل mm2/s است، بسیار متداول می‌باشد.
تحلیل جامع تفاوت ویسکوزیته دینامیک و کینماتیک
برای درک کامل، تفاوت ویسکوزیته دینامیک و کینماتیک باید به عنوان تفاوت بین یک خاصیت ذاتی (مقاومت) و یک خاصیت رفتاری (تمایل به جریان تحت گرانش) در نظر گرفته شود. ویسکوزیته دینامیک به مقدار نیروی داخلی موجود می‌پردازد؛ اما این در حالی است که ویسکوزیته کینماتیک به چگونگی عمل این نیرو در برابر اینرسی سیال می‌پردازد. جدول زیر این تفاوت‌ها را به شکل واضح‌تر مقایسه می‌کند.
| ویسکوزیته دینامیک (μ) | ویسکوزیته کینماتیک (ν) | ویژگی |
| مقاومت داخلی مطلق سیال در برابر تنش برشی. معیاری از اصطکاک بین لایه‌های سیال. | نسبت مقاومت به جریان (ویسکوزیته دینامیک) به اینرسی (چگالی). معیاری از نفوذ تکانه. | تعریف مفهومی |
| خاصیت ذاتی مرتبط با نیروهای بین مولکولی و تبادل تکانه. | خاصیت رفتاری که تأثیر همزمان مقاومت و چگالی را در جریان تحت گرانش نشان می‌دهد. | ماهیت فیزیکی |
| Ƭ=µdudy | ν=μρ | فرمول |
| پاسکال-ثانیه (Pa·s) | متر مربع بر ثانیه (m2/s) | واحد SI |
| پواز (P)، سانتی‌پواز (cP) | استوکس (St)، سانتی‌استوکس (cSt) | واحدهای رایج |
| طراحی پمپ‌ها، میکسرها، سیستم‌های هیدرولیک تحت فشار، فرمولاسیون رنگ و جوهر. | طبقه‌بندی روانکارها، محاسبات عدد رینولدز، تحلیل جریان در کانال باز، فرآیندهای تخلیه. | کاربرد اصلی |
| با افزایش دما، به شدت کاهش می‌یابد. | با افزایش دما، کاهش می‌یابد (چون کاهش μ معمولاً بر کاهش جزئی ρ غلبه دارد). | تأثیر دما (مایعات) |
برای مثال، روغن روانکار و آب را در دمای اتاق در نظر بگیرید. روغن ویسکوزیته دینامیک بسیار بالاتری دارد و در برابر هم زدن مقاومت زیادی نشان می‌دهدY اما چگالی آن کمتر از آب است. در مقابل، آب ویسکوزیته دینامیک پایینی دارد. حال اگر این دو را از یک قیف عبور دهیم، ممکن است در شرایط خاصی به دلیل تأثیر متقابل چگالی و ویسکوزیته، رفتار جریانی آن‌ها (که با ویسکوزیته کینماتیک توصیف می‌شود) پیچیده‌تر از آن چیزی باشد که در نگاه اول به نظر می‌رسد. در این جا تفاوت ویسکوزیته دینامیک و کینماتیک اهمیت عملی و فنی پیدا می‌کند.
اصول و روش‌های پیشرفته در اندازه‌گیری ویسکوزیته
اندازه‌گیری ویسکوزیته، علم دقیقی است که نیازمند انتخاب ابزار و روش مناسب برای سیال مورد نظر است. امروزه طیف گسترده‌ای از ویسکومترها و رئومترها برای این منظور وجود دارند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد.
- ویسکومترهای موئینه شیشه‌ای (Glass Capillary Viscometers)
این ابزارها بر اساس قانون پوازی-هاگن کار می‌کنند و اساس اندازه‌گیری ویسکوزیته کینماتیک هستند. زمان عبور حجم معینی از سیال از یک لوله موئین کالیبره شده تحت نیروی گرانش اندازه‌گیری می‌شود. این زمان با استفاده از یک ثابت کالیبراسیون به ویسکوزیته کینماتیک تبدیل می‌شود. برای دستیابی به دقت بالا، این آزمایش باید در یک حمام دمایی بسیار دقیق انجام شود؛ زیرا حتی یک دهم درجه تغییر دما می‌تواند نتیجه را به طور قابل توجهی تغییر دهد.
- ویسکومترهای چرخشی (Rotational Viscometers)
این دستگاه‌ها ویسکوزیته دینامیک را اندازه می‌گیرند و از یک اسپیندل با هندسه مشخص (مانند استوانه، دیسک یا مخروط) استفاده می‌کنند که در داخل نمونه سیال با سرعت زاویه‌ای کنترل شده می‌چرخد. دستگاه گشتاور لازم برای غلبه بر مقاومت ویسکوز سیال را اندازه‌گیری می‌کند. این گشتاور مستقیماً با ویسکوزیته دینامیک متناسب است. مزیت جالب توجه این روش، قابلیت اندازه‌گیری ویسکوزیته در نرخ‌های برشی مختلف است که برای مشخصه‌یابی سیالات غیرنیوتنی (مانند رنگ، سس مایونز یا خون که ویسکوزیته آن‌ها با نرخ برش تغییر می‌کند) ضروری است.
- ویسکومترهای سقوطی (Falling Body Viscometers)
این روش شامل اندازه‌گیری سرعت پایانه یک کره یا استوانه در حال سقوط در یک لوله پر از سیال است. هنگامی که نیروی گرانش با نیروی شناوری و نیروی پسا (که به ویسکوزیته وابسته است) به تعادل می‌رسد، جسم با سرعت ثابتی حرکت می‌کند. از این سرعت برای محاسبه ویسکوزیته دینامیک استفاده می‌شود. این روش برای سیالات شفاف و با ویسکوزیته متوسط تا بالا مناسب است.
- رئومترهای پیشرفته (Advanced Rheometers)
رئومترها پیچیده‌ترین ابزارها برای تحلیل خواص جریانی مواد هستند. این ابزارها ویسکوزیته را در طیف وسیعی از دماها و نرخ‌های برشی اندازه می‌گیرند و قادر به انجام آزمون‌های نوسانی برای تعیین خواص ویسکوالاستیک مواد (مانند مدول ذخیره و اتلاف) نیز هستند. این اطلاعات برای درک ساختار داخلی مواد پیچیده مانند پلیمرهای مذاب، سوسپانسیون‌های غلیظ و ژل‌ها ضروری هستند.
انتخاب هدفمند برای کاربردی دقیق
در نهایت، آشنایی با تفاوت ویسکوزیته دینامیک و کینماتیک یک مهارت بنیادی برای هر فردی است که با سیالات سر و کار دارد. این دو پارامتر دو روی یک سکه هستند که با هم تصویر کاملی از رفتار یک سیال را ارائه می‌دهند. ویسکوزیته دینامیک مقاومت ذاتی و مطلق سیال را در برابر تغییر شکل بیان می‌کند و در کاربردهایی که نیروهای خارجی محرک اصلی هستند، پارامتر کلیدی است. در مقابل، ویسکوزیته کینماتیک رفتار سیال را زمانی که اینرسی و گرانش نقش اصلی را بازی می‌کنند، توصیف می‌کند. انتخاب صحیح بین این دو و استفاده از روش‌های استاندارد برای اندازه‌گیری ویسکوزیته، برای کنترل کیفیت و انطباق با استانداردها ضروری بوده و سنگ بنای نوآوری در طراحی فرآیندها، توسعه محصولات جدید و بهینه‌سازی سیستم‌های مبتنی بر سیالات در دنیای مدرن است. جهت دریافت مشاوره‌های تخصصی و اطلاعات بیشتر در این زمینه، با ما تماس بگیرید.
