Lepkość

Lepkość (wiskoza, z łac. viscosus ‘lepki’) – właściwość płynów i plastycznych ciał stałych, charakteryzująca ich tarcie wewnętrzne wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu (nie jest to natomiast opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia, w warstwie granicznej). Lepkość jest jedną z najważniejszych cech płynów (cieczy i gazów).

Eksperyment ukazujący lepkość paku lub smoły. Jest ona około 2,3×10¹¹ większa od lepkości wody

Film pokazujący trzy płyny o różnych lepkościach

Eksperyment pokazujący zachowanie się lepkiego płynu – dodano niebieski barwnik dla lepszej widoczności

Inne znaczenie słowa „lepkość” odnosi się do „czepności” – terminu stosowanego w dziedzinie klejów.

Zgodnie z laminarnym modelem przepływu lepkość wynika ze zdolności płynu do przekazywania pędu pomiędzy warstwami poruszającymi się z różnymi prędkościami.

Różnice w prędkościach warstw są charakteryzowane w modelu laminarnym przez szybkość ścinania. Przekazywanie pędu zachodzi dzięki pojawieniu się na granicy tych warstw naprężeń ścinających. Wspomniane warstwy są pojęciem hipotetycznym, w rzeczywistości zmiana prędkości zachodzi w sposób ciągły (zobacz: gradient), a naprężenia można określić w każdym punkcie płynu. Model laminarny lepkości zawodzi też przy przepływie turbulentnym, powstającym np. na granicy płynu i ścianek naczynia. Dla przepływu turbulentnego jak dotąd nie istnieją dobre modele teoretyczne.

Płyn nielepki to płyn o zerowej lepkości (→ nadciekłość).

Dziedziną nauki zajmującą się badaniami nad lepkością jest reologia. Pomiary lepkości prowadzi się na wiskozymetrach i reowiskozymetrach.

Współczynnik lepkości dynamicznej dla rozrzedzonych gazów doskonałych jest proporcjonalny do pierwiastka z temperatury (jest to wynikiem ruchu cząsteczek gazów), a nie zależy od ciśnienia. Dla cieczy współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury, a rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia (jest to spowodowane oddziaływaniem międzycząsteczkowym).

Lepkość dynamiczna

Lepkość dynamiczna wyraża stosunek naprężeń ścinających do szybkości ścinania:

$\mu ={\frac {\tau }{\dot {\gamma }}}$

Jednostką lepkości dynamicznej w układzie SI jest paskal·sekunda o wymiarze kilogram·metr⁻¹·sekunda⁻¹

$[\mu ]=\operatorname {Pa} \cdot \operatorname {s} ={\frac {\operatorname {kg} }{\operatorname {m} \cdot \operatorname {s} }}$

W układzie CGS jednostką lepkości dynamicznej jest puaz (P).

1 P = 1 dyn·s/cm² = 1 g·cm⁻¹·s⁻¹ = 0,1 Pa·s

Lepkość dynamiczna wybranych substancji

Współczynniki lepkości wybranych substancji:

Ciecze:

• woda:
  • 0 °C: 1,79 mPa·s
  • 25 °C: 0,89 mPa·s
  • 100 °C: 0,28 mPa·s
• gliceryna (25 °C): 934 mPa·s
• miód: 2–10 Pa·s
• etanol (25 °C): 1,07 mPa·s
• rtęć (20 °C): 1,554 mPa·s
• fenol (45 °C): 4,036 mPa·s
• smoła (20 °C): ~10⁷ Pa·s
• krew (37 °C): ~3,5 mPa·s

Gazy:

• powietrze (0 °C): 17,08 μPa·s
• wodór:
  • 0 °C: 8,35 μPa·s
  • 827 °C: 21,37 μPa·s

Lepkość kinematyczna

Lepkość kinematyczna, nazywana też kinetyczną, jest stosunkiem lepkości dynamicznej μ do gęstości płynu ρ. Zwykle jest oznaczana grecką literą ny (ν):

$\nu ={\frac {\mu }{\rho }}$

Lepkość kinematyczną w układzie SI wyraża się w m²·s⁻¹.

W układzie CGS jednostką lepkości kinematycznej jest stokes: 1 St = 1 cm²·s⁻¹ = 10⁻⁴ m²·s⁻¹.

Lepkość względna

Lepkość względna jest to stosunek lepkości dynamicznej badanej cieczy do lepkości cieczy wzorcowej (najczęściej wody). Jest to wielkość bezwymiarowa. Można ją wyznaczyć poprzez porównanie czasu wypływu danej cieczy w porównaniu do czasu wypływu cieczy wzorcowej przez otwór kubka wypływowego (lakiery, farby) lub lepkościomierza porównawczego (oleje smarne). Dla rozróżnienia lepkości względnej mierzonej w różnych lepkościomierzach porównawczych stosuje się oznaczenia:

• stopień Englera, °E (Polska i większość krajów europejskich)
• stopień Barbiego, °B (Francja)
• sekunda Redwooda, RI (Wielka Brytania)
• sekunda Saybolta, SUS (USA).

Zobacz też

• mechanika płynów
• płyn newtonowski

Bibliografia

• Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich. Fizyka, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1991, wyd.3, ISBN 83-204-1192-0.
• Szczepan Szczeniowski Fizyka doświadczalna. Ciepło i fizyka molekularna. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa (1953)
• Bronisław Średniawa, Jan Weyssenhoff Mechanika środowisk rozciągłych, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa-Kraków 1969
• Zbigniew Lawrowski: Tribologia. Tarcie, zużywanie i smarowanie. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1993. Brak numerów stron w książce