Viskositeetti

Viskositeetti ("sitkaus") on suure, joka kuvaa fluidin (lähinnä nesteen tai kaasun) kykyä vastustaa virtaamista. Yleisesti se käsitetään fluidin "paksuudeksi" tai nesteen kaatamista vastustavaksi ominaisuudeksi. Viskositeetti voidaan käsittää fluidin sisäisen kitkan mittayksiköksi: vesi on "ohuempaa" (pieni viskositeetti) kuin kasviöljy (korkea viskositeetti).
Nestepartikkeli voi muuttaa muotoaan kahdella tavalla: puristuksen/venytyksen tai leikkauksen kautta. Leikkauksessa nesteosaset liukuvat toistensa suhteen tangentiaalisesti.
Viskositeetti riippuu lämpötilasta ja paineesta. Lämpötilan noustessa kaasujen viskositeetti kasvaa, mutta nesteiden pienenee. Paineen kasvaessa kaasujen viskositeetti pysyy muuttumattomana, mutta nesteiden viskositeetti kasvaa.
Newtonin teoria.
Kun leikkausvoima kohdistetaan kiinteään kappaleeseen, muuttuu kappaleen muoto kunnes muodonmuutos aiheuttaa leikkaavalle voimalle yhtä suuren vastakkaisen voiman. Tällöin saavutetaan tasapainotila. Jos leikkaava voima kohdistetaankin nesteeseen (esimerkiksi tuuli, joka puhaltaa järven pintaan), neste jatkaa virtaamista niin kauan kuin kyseistä voimaa kohdistetaan nesteeseen. Kun ulkoisen voiman vaikutus lakkaa, nesteen virtaus pysähtyy normaalisti sen sisäisen kitkan vuoksi. Mitä suurempi nesteen viskositeetti on, sitä suurempi on sen vastustus leikkaavaa voimaa vastaan ja sitä nopeammin nesteen virtaus pysähtyy.
Yleisesti ottaen kaikentyyppisissä virtauksissa nesteen kerrokset virtaavat eri nopeuksilla ja nesteen "paksuus" syntyy eri kerrosten välillä vaikuttavista leikkausvoimista. Loppujen lopuksi nämä voimat yhteenlaskettuina vastustavat ulkopuolista voimaa.
Newtonilaiset fluidit.
Isaac Newton esitti, että suoralle, samansuuntaiselle ja yhtenäiselle virtaukselle leikkausvoima τ joka vaikuttaa virtauskerrosten välillä, on suhteessa nopeusgradienttiin ∂"u"/∂"y", joka on kohtisuorassa virtauskerroksia vastaan.
formula_1.
Yhtälössä vakio μ tunnetaan "viskoosikertoimena", "viskositeettina" tai "dynaamisena viskositeettina" (käytetään myös symbolia η). Monet nesteet kuten vesi ja useimmat kaasut täyttävät Newtonin ehdon, ja ne tunnetaankin Newtonilaisina nesteinä eli lineaarisina nesteinä. Ei-newtonmaisessa nesteessä puolestaan esiintyy leikkaavan voiman ja nopeusgradientin välillä monimutkaisempi suhde kuin yksinkertainen lineaarinen riippuvuus.
Usein ollaan kiinnostuneita viskositeetin ja inertiaalivoiman suhteesta. Inertiaalivoimaa kuvaa nesteen tai kaasun tiheys, jolle käytetään symbolia ρ. Aineen "kinemaattinen viskositeetti" määritelläänkin sen dynaamisen viskositeetin ja tiheyden suhteena:
formula_2.
Viskositeetti on se perusmekanismi, jolla liike-energiaa kuluu nesteen liikkuessa. Tyypillisesti energia muuttuu lämmöksi.
Ei-newtonilaiset fluidit.
Newtonilaisten fluidien lisäksi on olemassa useita aineita, jotka eivät noudata Newtonin määrittelemään viskositeettimallia. Näitä fluideja kutsutaan ei-newtonilaisiksi fluideiksi. Nämä fluidit jaetaan kahteen ryhmään: pseudoplastiset ja dilatantit. Pseudoplastisilla fluideilla viskositeetti pienenee leikkausvoiman kasvaessa. Dilatantit tekevät juuri päinvastoin.
Pseudoplastiset.
Homeita fermentoidessa joudutaan ottamaan huomioon fermentointiliuoksen pseudoplastisuus. Homerihmastot muodostavat tahmaisen toisiinsa tarttuneen verkoston, jonka viskositeetti on suuri leikkausvoimien ollessa pieniä. Sekoitusta kasvatettaessa leikkausvoimat kasvavat ja rihmastot alkavat katkeilla, jolloin viskositeetti pienenee. Useat maalit ovat puolestaan tiksotrooppisia fluideja; niiden viskositeetti alenee niitä sekoitettaessa, mutta sekoituksen lakatessa niiden viskositeetti kasvaa. Näin estetään maalien valuminen.
Dilatantit.
Dilatanteista eli reopektisita fluideista esimerkkinä mainittakoon vaikka veden ja hiekan seos. Pienissä sekoitusnopeuksissa vesi voitelee hiekanjyväsiä, ja näin ollen mahdollistaa suhteellisen pienen viskositeetin. Suurissa leikkausvoimissa vesi ikään kuin pakenee hiekanjyvästen välistä, jolloin voitelu häviää ja viskositeetti kasvaa. Samoin kermavaahto on tyypillinen dilatantti (reopektinen) fluidi.
Monet elintarviketeollisuuden fluidit, kuten taikina, ketsuppi ja muusi ovat viskositeettiominaisuuksiltaan ei-Newtonmaisia.
Viskositeetin mittauksesta.
Yksiköt.
SI-järjestelmässä dynaamisen viskositeetin (formula_3 tai formula_4) yksikkö on formula_5 ja kinemaattisen viskositeetin (formula_6) yksikkö on formula_7.
Cgs-järjestelmässä dynaamisen viskositeetin yksikkö on poisi (P). Yksi poisi on 1 "P" = 1 "g"/("s"·"cm") = 0,1 "kg/sm". Vastaavasti kinemaattisen viskositeetin cgs-yksikkö on stoki ("St"), joka on saanut nimensä George Gabriel Stokesin mukaan. Yksi stoki on 1 "St" = 1 "cm2/s" = 0,0001 "m2"/"s". Joissakin yhteyksissä näitä tai näiden osia, senttistokia ja senttipoisia, käytetään edelleenkin.
Yleisten aineiden tyypillisiä viskositeetteja.
Muutamien Newtonilaisten kaasujen ja nesteiden dynaamisia viskositeetteja
Kaasuja (0 °C):
Nesteet (20 °C):
Monilla nesteillä kuten hunajalla on useita eri viskositeetteja.
Virtaavuus.
Käänteisarvo viskositeetille on virtaavuus, jota merkitään φ:llä (=1/μ). Sen yksikkö on cm·s/g, ja sitä kutsutaan joskus "rhe":ksi. Virtaavuuden käsitettä käytetään tyypillisesti hyvin vähän.
Etymologia.
Sana viskositeetti juontuu latinankielisestä sanasta "viscum" (misteli), koska mistelipuun marjojen viskoosia (paksua) liimaa on käytetty nappaamaan sitruunapuiden oksilla olevia lintuja.