viskositet

Dersom en væske beveger seg over et fast underlag, vil det virke en friksjonskraft mellom væskemolekylene og det faste underlaget som bidrar til å bremse væskens bevegelse. Denne friksjonskraften setter opp en skjærspenning på væsken som avhenger av både egenskapene til væsken og det faste underlaget. Væskemolekylene nærmest det faste underlaget vil ha minst hastighet, mens de lenger unna vil ha større hastighet.

På lignende måte vil det virke en friksjonskraft F mellom to lag med væske som glir med forskjellig hastighet i forhold til hverandre. Viskositeten til væsken gir et mål på hvor stor denne motstanden mot relativ bevegelse mellom væskelagene er. Langs grenseflaten med areal A mellom de to væskelagene virker det en skjærspenning definert som τ=F/A. Den relative hastigheten mellom de to lagene med væske kalles skjærhastigheten v. Hastighetsgradienten eller skjærraten er definert som den relative hastigheten dividert med avstanden L mellom væskelagene, altså r=v/L. Newtons viskositetslov sier at skjærspenningen og hastighetsgradienten er proporsjonale. Dette kan skrives på matematisk form som τ=ηr, der proporsjonalitetskonstanten kalles dynamisk viskositet og er gitt den greske bokstaven η (eta). Dette betyr at man kan definere den dynamiske viskositeten som forholdet mellom skjærspenning og hastighetsgradient:

\[\eta =\frac{skjærspenning}{hastighetsgradient} =\frac{\tau}{r} \,\, . \]

Viskositet definert på denne måten omtales enten som dynamisk viskositet, newtonsk viskositet eller noen ganger bare viskositet. Det har vist seg at mange væsker følger Newtons viskositetslov. I slike tilfeller regnes den dynamiske viskositeten som en materialparameter som avhenger av trykk og temperatur.

Viskositeten varierer med temperatur i både væsker og gasser, men dette manifester seg på ulike måter. Et eksempel ser man i figuren til høyre, som viser målte verdier av den dynamiske viskositeten som funksjon av temperatur for vann i væskeform og vann i dampform. I væskeform sitter molekylene i vann tett og må presse seg forbi andre molekyler for å kunne bevege seg når de utsettes for en skjærspenning. Dette blir lettere ved høyere temperaturer, fordi molekylene da vil virrevandre mer og i mindre grad hindre sine naboer. Dermed avtar viskositeten når vannets temperatur øker.

I vanndamp, og gasser generelt, vil viskositeten øke med økende temperatur. I gasser er nemlig molekylene lenger unna hverandre, og vekselvirker derfor mye mindre enn i væsker. Når temperaturen øker, vil gassmolekylene kollidere hyppigere, og derfor hindre hverandres bevegelse i større grad. Økende temperatur betyr derfor at gassen blir vanskeligere å sette i bevegelse på grunn av større viskositet.

Man kan merke seg at siden definisjonen av dynamisk viskositet er gitt som forholdet mellom skjærspenning og hastighetsforandring per lengde, vil den ha enhet kg/m·s og avhenge av massetettheten ρ til væsken. I mange tilfeller ønsker man å ha en størrelse som ikke involverer masse, og dividerer derfor dynamisk viskositet med tettheten til væsken, ν=η/ρ. Størrelsen representert ved den greske bokstaven ν (ny) kalles kinematisk viskositet, og måles i m²/s. Den kinematiske viskositeten har samme enhet som diffusjonskoeffisienten man måler ved diffusjon av væsker eller gasser, og kan forstås som en diffusjonskonstant. For eksempel vil tykkelsen av grenselaget nær en fast overflate ved laminær strømning være avhengig av væskens diffusjon som igjen bestemmes av den kinematiske viskositeten.

Ved store hastigheter vil væsken går fra å være laminær til å være turbulent, og da kan Newtons viskositetslov bryte sammen. I slike tilfeller vil definisjonen av dynamisk viskositet gitt ovenfor møte problemer.

Men også ved laminær strømning vil noen væsker ha indre egenskaper som gjør at skjærraten i væsken ikke er proporsjonal med de ytre kreftene som påtrykkes væsken. Det betyr at den dynamiske viskositeten ikke lenger vil være uavhengig av hvor fort væsken beveger seg. Væsken kalles i slike tilfeller ikke-newtonsk, og man bruker betegnelsen strukturviskositet i stedet for dynamisk viskositet. I de fleste tilfeller er det mikroskopiske strukturer i væsken som gjør at den får en strukturviskositet. For eksempel vil tiksotropisk maling danne tredimensjonale nettverk på mikroskopisk skala som sørger for at den blir mer tyntflytende når den utsettes for skjærspenninger. Videre vil reopekse væsker bli mer tyktflytende jo større skjærspenning som benyttes. Strukturviskositet er mye brukt for dispersjoner og i polymerer og polymerløsninger.

I SI-systemet har dynamisk viskositet avledet enhet N · s/m² eller kg/m ·s. Siden N/m² også angis i pascal (Pa), er det vanlig å oppgi den dynamiske viskositeten i pascal ganger sekund, altså Pa · s. Glyserol er en seigtflytende væske som har dynamisk viskositet på omtrent 1,4 Pa · s ved 25 °C, men de fleste væsker har langt mindre dynamisk viskositet. For eksempel har vann en dynamisk viskositet på rundt 0,0009 Pa · s ved 25 °, som kan skrives som 0,9 mPa · s (0,9 millipascal · sekund). Det er derfor mer vanlig å angi den dynamiske viskositetet i mPa · s. Gasser har enda mindre dynamisk viskositet, som ofte oppgis i μPa · s.

I CGS-systemet har den dynamiske viskositeten enhet poise (P), der 1 P = 0,1 Pa · s. I noen sammenhenger er det vanlig å oppgi den dynamiske viskositeten i centipoise (cP), der 1 cP = 1 mPa · s.

I tillegg til de angitt ovenfor kan man også finne mål på viskositeten oppgitt i andre enheter. Disse er ofte bestemt ved hjelp av standardiserte viskosimetre. For eksempel benyttes Saybolt-sekunder, Redwood-sekunder, Engler-grader eller Mooney-viskositet. Man benytter tabeller for omregning til tilsvarende enheter i CGS og SI-systemene.

Motoroljer beskrives ofte ved hjelp av SAE-grader, som er en forkorting for Society of Automotive Engineers. Antall SAE-grader angir at viskositeten ved forskjellige temperaturer faller innenfor bestemte områder. Ved 25 °C kan SAE 10 tilsvare dynamisk viskositet nær 80 mPa · s, SAE 30 nær 300 mPa · s og SAE 50 nær 600 mPa · s.

Måling av viskositet foretas ved hjelp av et viskosimeter. Det finnes mange ulike typer viskosimetre, men de benytter alle at man kan måle størrelser som indikerer hvor stor motstand en væske eller gass viser mot ytre krefter som prøver å sette dem i bevegelse.

Væsker og gasser kan anta viskositetsverdier over et stort intervall. De aller minste viskositeter finner man i et superfluid, som kan strømme tilsynelatende uten motstand, og dermed er et eksempel på en væske som har null viskositet. Nedkjølt ⁴He som holder temperatur under 2,186 K er et superfluid, men også enkelte andre slike væsker har blitt funnet ved svært lave temperaturer.

De fleste gasser har en dynamisk viskositet som måles i μPa · s, fra veldig lettflytende gasser som hydrogen til mer viskøse og tyngre gasser som argon. Til de lettflytende væskene hører aceton, som har en dynamisk viskositet på rundt 0.3 mPa· s, mens glyserol med sine 1,4 Pa· s hører til de mer tungtflytende væskene. De aller største dynamiske viskositetene finner man hos seige, nesten faste stoffer som tjære, som kan bli større enn 10⁸ Pa·s. Nedenfor er en tabell over typisk dynamisk viskositet hos noen væsker ved 25 °C.

Viskositeten til væsker og gasser har stor betydning i en rekke dagligdagse situasjoner.

Ved matlaging vil en emulsjons viskositet ofte ha noe å si for hvordan man oppfatter maten eller drikken, og hvor lett det er å svelge den.

I motorer bruker man gjerne ha smøreoljer med liten viskositet for å minimere friksjonen mellom motordeler, samtidig som den ikke har så lav viskositet at den presses ut når delene beveger seg mot hverandre. Siden viskositeten avhenger av temperatur, er det vanlig å blande ulike oljer med ulike viskositeter for å sikre at god smørevirkning over et større temperaturområde.

Viskositeten spiller en viktig rolle ved beregning av strømning i pumpe og ventilasjonssystemer, da større viskositet gir opphav til større trykktap som må kompenseres for ved transport av væsker og gasser.

• viskosimeter
• reologi
• ikke-newtonsk væske