Wat is viscociteit?

Wij hebben een opdracht van school, met als opleiding werktuigbouwkunde.
Moeten we uitzoeken wat viscociteit is.
Zouden jullie daar alstublieft antwoord op willen geven.
Bij voorbaat dank,

Glenn

Onder de viscositeit van een vloeistof verstaat men de mate van vloeibaarheid van die vloeistof. Het zal bekend zijn dat olie trager stroomt dan benzine. Olie wordt dan dikvloeibaar genoemd en benzine dunvloeibaar. Men kan ook zeggen dat olie een hoge viscositeit heeft en benzine een lage viscositeit. De viscositeit is eigenlijk de weerstand tegen de vervorming, die optreedt als een vloeistof stroomt. Deze inwendige weerstand ontstaat door de onderlinge aantrekkingskracht van de vloeistofmoleculen (cohesie). Bij ‘dunne’ vloeistoffen zijn deze aantrekkingskrachten gering, bij ‘dikke’ vloeistoffen groot.

De vraag is hoe je de viscositeit nu meet. In het verleden had bijna ieder land zijn eigen methode. Tegenwoordig gebruikt men de moderne eenheden Poise (en Stokes), maar oudere viscositeitsaanduidingen komen nog veel voor. Het principe is bij alle metingen eigenlijk hetzelfde, men meet de tijd die nodig is om een bepaalde hoeveelheid vloeistof te laten stromen bij een bepaalde temperatuur.

Bij de moderne bepaling van de viscositeit maakt men gebruik van de viscosimeter van Ubellohde (zie fig). Deze meter is voorzien van een capillaire buis, waarin de stroomsnelheid zo laag is, dat er geen turbulente stroming optreedt. De meting verloopt als volgt.

1   Men hangt de viscosimeter in een waterbad, waarvan de temperatuur nauwkeurig constant gehouden wordt.
2  In de buis 1 wordt een voldoende hoeveelheid vloeistof gegoten, die in reservoir 5 stroomt .
3 Als de vloeistof de temperatuur van het waterbad heeft aangenomen, sluit men buis 3 af en zuigt men de vloeistof op in buis 2 tot boven de merk-streep A van reservoir 4. Daarna sluit men ook buis 2 af .
4 Als buis 3 nu weer open gelaten wordt, zal de vloeistof beneden het capillaire gedeelte in het reservoir 5 terug stromen .
5  Laat men dan de opening van buis 2 weer vrij, dan zal de vloeistof van reservoir 4 via de capillaire buis naar reservoir 5 stromen (fig. d). Men meet nu de tijd, waarin het vloeistofniveau van merkstreep A naar merk-streep B daalt.
6  Men kan nu de viscositeit berekenen door de uitstroomtijd (t) te vermenigvuldigen met de meterconstante (C). De verkregen viscositeit is de kinematische viscositeit (v), dus: v= C*t
Bij het uitstromen verandert het drukverschil over het capillair, omdat het niveau van de vloeistof daalt. Omdat echter de verhouding van de uitstroom-tijden (van de te onderzoeken olie en de ijkolie) uitsluitend afhangt van de verhouding van de kinematische viscositeiten (van de te onderzoeken olie en de ijkolie), wordt de bepaling van de kinematische viscositeit hierdoor niet be?nvloed.
Deze meting kan bij atmosferische druk worden uitgevoerd, omdat eventuele drukverschillen te gering zijn om enige invloed uit te oefenen op de viscositeit.

Voor het bepalen van de viscositeit bestaan verschillende viscosimeters met meer of minder nauwe capillairen, voor het onderzoeken van minder of meer visceuze vloeistoffen.

VISCOSITE1TSAANDUIDINGEN:
Seconde Saybolt Universal
Deze in Amerika toegepaste eenheid geeft het aantal seconden aan, dat nodig is om 60 cm3 van een vloeistof uit een Saybolt-viscosimeter te laten vloeien. De temperaturen, waarbij de metingen worden uitgevoerd (standaardtemperatuur) zijn 100,130 en 210 ?F. De uitkomst wordt b.v. genoteerd als 215 SSU/ 210 T. Seconde Saybolt Furol
Deze eenheid geeft de uitkomst van een meting met een soortgelijke viscosi-meter, echter met een wijdere uitstroomopening. Hierdoor is deze meter beter geschikt voor viscositeitsbepalingen van zeer visceuze vloeistoffen (vloeistoffen meteen zeer hoge viscositeit, 1 000 SSU/100 ?F). De gevonden waarden zijn ongeveer ??ntiende van de waarden die met het Saybolt Universal-apparaat worden gemeten. De standaardtemperatuur is 122 ?F. De uitkomst wordt genoteerd als SSF/122 T.

Seconde Redwood l
Deze eenheid is ontstaan uit een in Engeland ontwikkelde methode van viscositeitsbepaling. Hierbij maakt men gebruik van een soortgelijke viscosimeter als die van Saybolt. In dit geval wordt de tijd gemeten die nodig is om 50 cm3 van een vloeistof uit de viscosimeter te laten vloeien. De standaard-temperaturen zijn 70, 100, 140 en 200 ?F. De uitkomst wordt genoteerd als sec Redw l of als Rl/… ?F.

Seconde Redwood II
Evenals bij Saybolt Fural geeft deze eenheid de viscositeit van zeer visceuze vloeistoffen (> 2000 Rl) aan. De gevonden waarden zijn ook ongeveer ??ntiende Rl. De standaardtemperatuur is 210 ?F. De uitkomst wordt genoteerd als sec Redw II of als RU/210 ?F.

Graad Engler

Deze eenheid wordt in de meeste Westeuropese landen nog gebruikt. De viscositeitsbepaling gebeurt met behulp van de viscosimeter van Engler .Deze berust weer op hetzelfde principe als de voorgaande viscosi-meters, maar de meethoeveelheid is in dit geval 200 cm3. De graad Engler is geeft de uitstoomtijd van de te meten vloeistof t.o.v. water. De uitkomst is dus een dimensieloos getal :?E/ .. ?C

Viscositeitsindex
Het ontstaan van de Viscositeitsindex:
In de twintiger jaren ontdekten twee Amerikaanse onderzoekers, Dean en Davis, datde viscositeit van de ene minerale olie bij een bepaalde temperatuur-stijging sneller verminderde, dan de viscositeit van een andere olie. Dit verschijnsel hing o.a. samen met de herkomst van de olie. Hierdoor ontstond de behoefte de invloed van de temperatuur op de viscositeit van een bepaalde olie uit te drukken in een getal. Nadat een groot aantal minerale oli?n op deze temperatuurgevoeligheid waren onderzocht, werd aan de olie die het meest gevoelig was het cijfer O toegekend en aan de minst gevoelige olie het cijfer 100. Dean en Davis noemden deze aanduiding de Viscosity Index (V.I.).
De berekening van deze viscositeitsindex gaat als volgt. Men meet van een olie met een onbekende V.I. de viscositeit in cSt (of in SSU) bij twee temperaturen, 100 en 210 ?F. Daarna zoekt men in een tabel, ASTM D567, twee oli?n met dezelfde viscositeit bij 210 “F, waarvan de ene een V.l. = O en de andere een V.l. = 100 heeft.
Deze oli?n zullen dus bij 100 T een andere viscositeit hebben. Men brengt deze gegevens over in een diagram en verbindt ze door rechte lijnen. In de meeste gevallen zal de rechte  lijn, die het verband tussen temperatuur en viscositeit van de olie met de onbekende V.l. weergeeft, tussen de lijnen van de oli?n met de V.I. = O en V.l. = 100 liggen. Men kan de V.l. van de te onderzoeken olie nu berekenen met de interpolatieformule: V.I. = (L – U /  L – H)*100%
Hierin is:
L = de viscositeit bij 100 ?F van de olie met de V.l. = 0;
H = de viscositeit bij 100 ?F van de olie met de V.l. = 100;
U ? de viscositeit bij 100 ?F van de olie met de onbekende V.I.

SAE-CLASSIFICATIE
Een belangrijke en veel gebruikte classificatie van smeeroli?n met betrekking tot de viscositeit is opgesteld door de Society of Automotive Engineers (SAE). Hoewel deze indeling oorspronkelijk bestemd was voor toepassing bij het wegverkeer, is het gebruik van dit systeem algemeen geworden. Deze SAE-classificatie beslaat een aantal viscositeitsgebieden die worden aangegeven met een getal. Voor motoroli?n worden de getallen 5, 10, 15, 20, 30, 40 en 50 gebruikt. Wordt aan deze getallen de letter W (winter) toegevoegd, dan heeft de desbetreffende olie een vastgestelde maximumviscositeit bij O ?F. In het andere geval is vastgesteld wat de minimumviscositeit bij 210?F is. Tabellen geven bij benadering de viscositeitsgebieden van de verschillende SAE-klassen voor motoroli?n. Met behulp van deze tabellen kan men in een diagram het gebied bepalen, waarbinnen een olie van b.v. de SAE 10W classificatie voldoet.  Het is echter ook mogelijk een olie te ontwikkelen, waarvan de viscositeitslijnen tussen twee SAE gebieden doorlopen. Een dergelijke olievoldoetaan twee SAE classificaties, nl. SAE 10W en SAE 40. Men noemt zo’n olie een multigrade olie (b.v. SAE 10W40).

Voldoet een olie aan ??n SAE classificatie, dan spreekt men van een singlegrade olie (b.v. SAE 30). Voor transmissieoli?n gebruikt men andere getallen om verwisseling te voorkomen, nl. 75,80,85, 90,140 en 250. Dit betekent niet dat een transmissieolie SAE 75 een hogere viscositeit heeft dan een motorolie SAE 40. De letter A/V achter sommige van de genoemde getallen geeft aan dat de desbetreffende transmissieolie een dynamische viscositeit heeft van 150000 cP bij de aangegeven maximum temperaturen. Dit geldt alleen voor de SAE-nummers 75W, 80W en 85W. Tabellen geven bij benadering de viscositeitsgebieden van de verschillende SAE klassen voor transmissieoli?n volgens specificatie J 306 B.

DYNAMISCHE VISCOSITEIT
Om het verschijnsel viscositeit wat beter te begrijpen, bekijkt men een horizontale buis, waar een vloeistof met een constante snelheid doorheen stroomt. Men gaat er van uit, dat deze stroming laminair is en wordt veroorzaakt door een constant drukverschil. In deze buis kan men zich twee evenwijdige vloeistofvlakjes voorstellen, die met de stroom meebewegen.

Omdat bij een laminaire stroming in een buis de vloeistofvlakjes in het midden van de stroom zich met een grotere snelheid bewegen, dan de vlakjes aan de rand, treedt een snelheidsverschil (v1 – v2 ) op. Dit snelheidsverschil hangt af van de afstand (l) tussen die vlakjes. De kracht (F), die nodig is om dit snelheidsverschil te handhaven, is afhankelijk van de oppervlakte (A) tussen de beide vloeistofvlakjes.
De schuifspanning (F/A), die nodig is om het snelheidsverschil (v1-v2) over een afstand (l) te handhaven, noemt men de dynamische viscositeit (n). Dus: n = (F/A*l)/(v1-v2)
Drukt men de schuifspanning uit in N/m2, de lengte in m en het snelheidsverschil in m/s, dan vindt men: m/s
of in grondeenheden kg/(m ? s) ; (1 N = 1 kg ? m/s2).
Men drukt de eenheid van dynamische viscositeit uit in poise (P), afgeleid van de naam van de natuurkundige Poiseuille. 1 P = 0,1 kg/ (m s) in de praktijk gebruikt men meestal centipoise (cP).

KINEMATISCHE VISCOSITEIT (v)
Bij de dynamische viscositeit is men uitgegaan van een constante stroomsnelheid, die veroorzaakt werd door een constante druk. Bij het meten van de viscositeit in de praktijk maakt men echter gebruik van een verticaal opgestelde buis, waar de vloeistof doorheen stroomt onder invloed van zijn eigen gewicht. Houdt men in dit geval de hoogte van de vloeistofkolom constant, dan zal de uitstroomsnelheid tijdens de proef weliswaar constant zijn, maar afhankelijk tijdens de proef van de volumieke massa van de te onderzoeken vloeistof. De uitstroomtijd, die men op deze manier kan meten is recht evenredig met de dynamische viscositeit (n), maar omgekeerd evenredig met de soortelijke massa (p), m.a.w.: t = n/p [?ta/rh?]
Het quoti?nt n/p [?ta/rh?] is van veel belang, niet alleen in verband met de viscositeit, maar ook bij het ontstaan van turbulente stroming. Men noemt dit quoti?nt de kinematische viscositeit (v). Dus: v = [?ta/rh?]
Drukt men n [?ta] en p [rh?] uit in eenheden, dan vindt men: [kg/(m.s)]/[kg/m?] = m?/s en m?/s  is in het Sl-stelsel de eenheid van kinematische viscositeit. Deze eenheid noemt men stokes (St) naar de Engelse natuurkundige van die naam. In de praktijk gebruikt men vaak de centistokes (cSt).

Viscositeit kom je niet alleen tegen bij brandstoffen en smeerolie, maar bij zeer veel (alle) vloeistoffen.

**arjen**