Viskozite

Viskozite, akmazlık veya ağdalık, akışkanlığa karşı direnç. Viskozite, bir akışkanın, yüzey gerilimi altında deforme olmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsüdür. Akışkanın akmaya karşı gösterdiği iç direnç olarak da tanımlanabilir. Viskozitesi yüksek olan sıvılar ağdalı olarak tanımlanırlar.
Süper akışkanlar hariç tüm gerçek akışkanlar yüzey gerilimine karşı direnç gösterirler. Öte yandan, yüzey gerilimine hiç direnç göstermeyen bir akışkan "ideal akışkan" olarak adlandırılır.
Newton kuramı
Genellikle herhangi bir akış esnasında akışkanın tabakaları farklı hızlarda hareket ederler ve akışkanın akmazlığı, uygulanan kuvvete karşı direnç gösteren tabakalar arasındaki yüzey gerilimlerinden dolayı ortaya çıkar.
Isaac Newton'un öne sürdüğü üzere, laminer ve paralel bir akışta, tabakalar arasındaki yüzey gerilimi (τ) bu tabakalara dik yöndeki hız gradyeni (∂u/∂y) ile orantılıdır.
Buradaki μ sabiti, akmazlık değişmezi, akmazlık, veya durağan akmazlık olarak bilinir. Su ve gazların çoğu Newton yasasına uyarlar ve Newtonyen akışkanlar olarak adlandırılırlar. Newtonyen olmayan akışkanlarda ise, yüzey gerilimi ile hız gradyeni arasındaki basit lineer (doğrusal) ilişki çok daha karmaşık bir hal alır.
Pek çok durumda akmazlık kuvvetlerin eylemsizlik kuvvetlerine olan oranı ile ilgilenilir. Atalet kuvvetlerinin akışkanın yoğunluğu (ρ) ile karakterize edildiği bilindiğinden bu oran kinematik akmazlık olarak adlandırılır ve gösterimi:
şeklindedir.
Viskozite genellikle farklı viskozimetrelerle ve 25 C'de ölçülür. Bazı akışkanların viskozitesi, geniş bir yüzey gerilimi aralığında sabittir. Viskozitesi sabit olmayan akışkanlar Newtonyen olmayan akışkanlar olarak adlandırılır.
Birimler
Dinamik akmazlık:
Dinamik akmazlığın SI birimi (Yunan sembol: ) pascal-saniye (Pas) olup 1 kgm−1s−1 ye eşdeğerdir.
Dinamik akmazlığın cgs birimi, Jean Louis Marie Poiseuille adına ithafen poise (P) dır. Genellikle yüzde birlik miktarı olan centipoise (cP) kullanılır. Örneğin suyun akmazlığı 20 C'de 1.0020 cP dir.
1 poise = 100 centipoise = 1 gcm−1s−1 = 0.1 Pas. (Tanımı için bakınız.)
1 centipoise = 0.001 Pas.
Kinematik akmazlık:
Kinematik akmazlığın (Yunan sembol: ) SI birimi (m2s−1) dir. Kinematik akmazlığın cgs birimi George Gabriel Stokes'un adına ithafen stokes olup S veya St şeklinde kısaltılır. Bazen centistokes (cS veya cSt) şeklinde de kullanılabilir.
1 stokes = 100 centistokes = 1 cm2s−1 = 0.0001 m2s−1.
Kinematik ve dinamik akmazlık arasındaki dönüşüm ise şeklinde verilir ve eğer = 1 St ise
μ = ν ρ = 0.1 kgm−1s−1(ρ/(g/cm3)) = 0.1 poise(ρ/(g/cm3)).
Gazlar
Gazların viskozitesi, akış tabakaları arasında momentum taşınımını sağlayan moleküler difüzyondan kaynaklanır. Gazların kinetik teorisi, gazların viskozitesinin (teorinin uygulandığı rejim içinde geçerli olmak üzere) doğru olarak tahminine yardımcı olur:
Viskozite düşük ve orta basınç değerlerinde basınçtan etkilenmez fakat yüksek basınç altında yoğunluğu arttığı için basınçla birlikte viskozitesi artar
Viskozite, sıcaklık arttıkça azalır.
Sıvılar
Sıvılarda, moleküller arasındaki ilave kuvvetler önemli hale gelir. Bu durumda yüzey gerilimine ilaveler olacaktır ki olgu bugün dahi tartışmalıdır. Dolayısıyla, sıvılarda:
Viskozite basınçtan bağımsızdır (çok yüksek basınçlar hariç) ve
Viskozite, sıcaklık arttıkça azalır (örneğin, sıcaklık 0 C den 100 C çıktığında, suyun viskozitesi 1.79 cP den 0.28 cP ye düşer).
Sıvıların dinamik viskozitesi, gazların dinamik viskozitesinden on kat daha büyüktür.
Havanın akmazlığı
Havanın viskozitesi sıcaklığa bağımlı olup 15.0 C'de 1.78 10−5 kg/m. s dir.
Suyun akmazlığı
Suyun viskozitesi 8.90 10−4 Pas veya 8.90 10−3 dyne-sec/cm2 dir (25 C'de).
Değişik türdeki malzemelerin akmazlığı
Dinamik viskozitenin sıcaklıkla değişimini hesaplamak amacıyla Sutherland formülü (Crane, 1988) kullanılabilir:
burada:
= T sıcaklığındaki viskozite değeri (Pa/s)
= referans sıcaklığı To da referans viskozite değeri (Pa/s)
= Kelvin cinsinden sıcaklık
= Kelvin cinsinden referans sıcaklığı
= Sutherland sabiti'dir.
0 < T < 555K arasındaki sıcaklıklar için geçerlidir.
Bazı gazlar için Sutherland sabiti ve referans sıcaklığı değerleri:
Bazı Newtonyen akışkanların dinamik viskozite değerleri aşağıda verilmektedir.
Gazlar (0 C'de):
Sıvılar (25 C'de):
a Kaynak: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 73. basım, 1992-1993.
Daha detaylı bir tabloya buradan ulaşılabilir.
Akışkanlık
Viskozitenin tersi akışkanlık tır ve genellikle φ (= 1/μ) veya F (= 1/η) ile gösterilir. Birimi poise'ın tersi olup (cmsg−1), rhe olarak okunur. Mühendislik uygulamalarında nadiren kullanılır.