Độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng (Viscosity and influencing factors)

Định nghĩa

Có hai loại độ nhớt thường được sử dụng: độ nhớt động lực và độ nhớt động học.

Độ nhớt động lực (dynamic viscosity), thường được ký hiệu là $\eta$ hoặc $\mu$, được định nghĩa là tỷ số giữa ứng suất cắt ($\tau$) và tốc độ biến dạng cắt ($\dot{\gamma}$):

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

Đơn vị SI của độ nhớt động lực là Pascal-giây (Pa·s) hoặc kg/(m·s). Độ nhớt động lực còn được gọi là độ nhớt tuyệt đối.

Độ nhớt động học (kinematic viscosity), thường được ký hiệu là $\nu$, được định nghĩa là tỷ số giữa độ nhớt động lực ($\eta$) và khối lượng riêng ($\rho$):

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

Đơn vị SI của độ nhớt động học là m²/s. Độ nhớt động học biểu thị khả năng lan truyền của động lượng trong chất lỏng dưới tác dụng của trọng lực.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt

Độ nhớt của chất lỏng bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ nhớt. Đối với hầu hết các chất lỏng, độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng. Các phân tử di chuyển nhanh hơn ở nhiệt độ cao, làm giảm lực liên kết giữa chúng và do đó làm giảm độ nhớt. Đối với khí, độ nhớt lại tăng khi nhiệt độ tăng do sự gia tăng tần số va chạm giữa các phân tử.
• Áp suất: Ảnh hưởng của áp suất lên độ nhớt của chất lỏng thường nhỏ hơn so với ảnh hưởng của nhiệt độ. Đối với hầu hết các chất lỏng, độ nhớt tăng nhẹ khi áp suất tăng do các phân tử bị nén lại gần nhau hơn.
• Thành phần hóa học: Cấu trúc phân tử và lực liên kết giữa các phân tử ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt. Chất lỏng có phân tử lớn và lực liên kết mạnh (như polymer) thường có độ nhớt cao hơn so với chất lỏng có phân tử nhỏ và lực liên kết yếu.
• Nồng độ: Đối với dung dịch, độ nhớt thường tăng khi nồng độ chất tan tăng. Sự hiện diện của chất tan làm tăng tương tác giữa các phân tử trong dung dịch, dẫn đến độ nhớt cao hơn.
• Kích thước và hình dạng hạt (đối với chất lỏng không Newton): Đối với chất lỏng không Newton, kích thước và hình dạng của các hạt phân tán trong chất lỏng cũng ảnh hưởng đến độ nhớt. Ví dụ, chất lỏng có hạt lớn và hình dạng bất thường thường có độ nhớt cao hơn.

Ứng dụng của việc hiểu biết về độ nhớt

Kiến thức về độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng đến nó rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

• Bôi trơn: Lựa chọn dầu bôi trơn phù hợp dựa trên độ nhớt là cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy móc.
• Dòng chảy trong ống: Tính toán độ nhớt là cần thiết để thiết kế hệ thống đường ống và bơm.
• Gia công thực phẩm: Độ nhớt ảnh hưởng đến kết cấu và khả năng xử lý của thực phẩm.
• Sơn và mực in: Độ nhớt ảnh hưởng đến khả năng thi công và chất lượng của sơn và mực in.
• Dược phẩm: Độ nhớt ảnh hưởng đến sự hấp thụ và phân phối thuốc trong cơ thể.

Độ nhớt là một tính chất quan trọng của chất lỏng có ảnh hưởng đáng kể đến nhiều quá trình vật lý và ứng dụng công nghiệp. Việc hiểu rõ về độ nhớt và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng trong nhiều lĩnh vực.

Các loại chất lỏng theo đặc tính độ nhớt

Không phải tất cả chất lỏng đều hành xử giống nhau khi chịu tác động của ứng suất cắt. Dựa vào mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng cắt, chất lỏng được phân loại thành:

• Chất lỏng Newton: Độ nhớt của chất lỏng Newton là hằng số và không phụ thuộc vào tốc độ biến dạng cắt. Nước và dầu máy là ví dụ về chất lỏng Newton. Mối quan hệ giữa ứng suất cắt ($\tau$) và tốc độ biến dạng cắt ($\dot{\gamma}$) là tuyến tính: $\tau = \eta\dot{\gamma}$.
• Chất lỏng phi Newton: Độ nhớt của chất lỏng phi Newton thay đổi theo tốc độ biến dạng cắt. Có nhiều loại chất lỏng phi Newton, bao gồm:
  • Chất lỏng giả dẻo (Shear-thinning): Độ nhớt giảm khi tốc độ biến dạng cắt tăng (ví dụ: sơn, ketchup).
  • Chất lỏng trương nở (Shear-thickening): Độ nhớt tăng khi tốc độ biến dạng cắt tăng (ví dụ: hỗn hợp nước và bột bắp).
  • Chất lỏng Bingham: Cần một ứng suất cắt tối thiểu để chất lỏng bắt đầu chảy (ví dụ: kem đánh răng).

Phương pháp đo độ nhớt

Có nhiều phương pháp để đo độ nhớt, bao gồm:

• Viscometer mao quản (Capillary viscometer): Đo thời gian chất lỏng chảy qua một ống mao quản có đường kính nhỏ.
• Viscometer quả cầu rơi (Falling ball viscometer): Đo thời gian một quả cầu rơi qua chất lỏng.
• Viscometer quay (Rotational viscometer): Đo momen xoắn cần thiết để quay một rotor trong chất lỏng.
• Viscometer rung (Vibrational viscometer): Đo sự suy giảm dao động của một bộ rung nhúng trong chất lỏng.

Ảnh hưởng của các yếu tố khác

Ngoài các yếu tố chính đã được đề cập, còn một số yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến độ nhớt, mặc dù mức độ ảnh hưởng thường nhỏ hơn:

• Điện trường: Đối với một số chất lỏng, điện trường có thể ảnh hưởng đến độ nhớt.
• Từ trường: Tương tự, từ trường cũng có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của một số chất lỏng đặc biệt.

• White, F. M. (2006). Fluid Mechanics. McGraw-Hill.
• Munson, B. R., Young, D. F., & Okiishi, T. H. (2006). Fundamentals of Fluid Mechanics. Wiley.
• Barnes, H. A., Hutton, J. F., & Walters, K. (1989). An Introduction to Rheology. Elsevier.
• Chinnaswamy, C. (2018). Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and Data. Springer.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để giải thích sự khác biệt về độ nhớt giữa mật ong và nước ở cấp độ phân tử?

Trả lời: Sự khác biệt về độ nhớt giữa mật ong và nước xuất phát từ cấu trúc phân tử và lực liên kết giữa các phân tử. Mật ong chủ yếu gồm các loại đường phức tạp, có kích thước phân tử lớn và nhiều nhóm hydroxyl (-OH) có khả năng tạo liên kết hydro mạnh với nhau. Liên kết hydro mạnh và kích thước phân tử lớn khiến các phân tử mật ong khó di chuyển qua nhau, dẫn đến độ nhớt cao. Ngược lại, nước có phân tử nhỏ hơn và liên kết hydro yếu hơn, cho phép các phân tử di chuyển dễ dàng hơn, dẫn đến độ nhớt thấp.

Độ nhớt của khí thay đổi như thế nào theo nhiệt độ và tại sao lại khác với chất lỏng?

Trả lời: Độ nhớt của khí tăng theo nhiệt độ. Điều này khác với chất lỏng, mà độ nhớt thường giảm khi nhiệt độ tăng. Sự khác biệt này là do cơ chế chi phối độ nhớt trong hai trạng thái vật chất. Trong chất lỏng, lực liên kết phân tử là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ nhớt. Khi nhiệt độ tăng, lực liên kết này yếu đi, dẫn đến độ nhớt giảm. Trong khí, độ nhớt chủ yếu do sự va chạm giữa các phân tử. Khi nhiệt độ tăng, vận tốc phân tử tăng, dẫn đến tần suất va chạm tăng, và do đó độ nhớt tăng.

Chất lỏng thixotropic là gì và nó khác với chất lỏng giả dẻo như thế nào?

Trả lời: Cả chất lỏng thixotropic và chất lỏng giả dẻo đều có độ nhớt giảm khi tốc độ biến dạng cắt tăng. Tuy nhiên, chất lỏng thixotropic có thêm một đặc điểm là độ nhớt của nó phụ thuộc vào thời gian chịu tác động của ứng suất cắt. Nghĩa là, nếu duy trì một tốc độ biến dạng cắt không đổi, độ nhớt của chất lỏng thixotropic sẽ tiếp tục giảm theo thời gian. Khi ngừng tác động lực, chất lỏng thixotropic cần một khoảng thời gian để trở lại độ nhớt ban đầu. Chất lỏng giả dẻo không thể hiện tính chất phụ thuộc thời gian này.

Tại sao việc hiểu biết về độ nhớt lại quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm?

Trả lời: Độ nhớt ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh trong ngành công nghiệp thực phẩm, từ kết cấu và cảm nhận của sản phẩm đến quá trình sản xuất và đóng gói. Ví dụ, độ nhớt ảnh hưởng đến cảm giác khi nhai và nuốt thực phẩm, khả năng bơm và vận chuyển nguyên liệu, cũng như sự ổn định của sản phẩm trong quá trình bảo quản.

Ứng suất cắt ($ \tau $) và tốc độ biến dạng cắt ($ dot{\gamma} $) có mối quan hệ như thế nào trong chất lỏng Bingham?

Trả lời: Trong chất lỏng Bingham, cần một ứng suất cắt tối thiểu, gọi là ứng suất chảy ($ \tau_y $), để chất lỏng bắt đầu chảy. Khi ứng suất cắt vượt quá ứng suất chảy, mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng cắt là tuyến tính: $ \tau = \tau_y + eta dot{\gamma} $, trong đó $ eta $ là độ nhớt dẻo. Nếu $ \tau < \tau_y $, chất lỏng sẽ hành xử như chất rắn và không chảy.