akmazlık

Prof.Dr. İbrahim USLU

Viskozite - Akmazlık



Viskozite - Akmazlık• Akmazlık değeri daha

yüksek olan mor sıvı ve düşük akmazlık değeri olan gri sıvı.

• En basit tanımıyla viskozite; bir sıvının akmaya karşı gösterdiği direnç olarak açıklanabilir.


Viskozite

• Viskozite, bir sıvının iç sürtünmesi olarak tanımlanır. • Sıvı molekülleri birbiri üzerinde kayarlar ve birbirlerine göre

bağıl hız kazanmalarını engellemeğe çalışırlar. • Dolayısıyla moleküller arasında bir sürtünme söz konusu olur. • Sürtünme azalınca sıvıların akma kabiliyeti artar, yani

viskoziteleri azalır.

Viskoz akıma karşı engel= 0 derece) Engel= 22 derece) Engel= 45 derece)


Laminer Akış• Akışkanlar düşük hızlarda karışma olayı göstermezler,

tabakalar oyun kartları gibi birbiri üzerinde kayarak hareket eder. Bu tip akış mekanizmasına "laminer akış" denir.

• Tabanla sıvı yüzeyi arasında oluşan toplam sürtünme kuvveti Fw, plaka yüzeyi A, hız farkı v ve sıvının derinliği y ise, Newton'a göre,


Laminer Akış

• Düşük hızla akan bir sıvıda her molekül bulunduğu düzlemi akış süresince hiç değiştirmemekte ve sanki sıvı moleküllerinden oluşan düzlemler birbiri üzerinden farklı hızlarda akış yönüne doğru kaymaktadırlar.

• Bu tür akımlara laminer akım, tabakalı akım veya viskoz akım denir


Laminer akım – Turbulans Akım• Laminer Akış, düşük hızlarda akım çizgisi halindedir, fakat hız kritik

bir değerin üstüne çıktığında karmaşık bir hal alır. Bu durumdaki akışa laminer akış denir. Düzgün akım çizgileri ve çok düzenli hareket ile tanınır.

• Türbülanslı akışta hız çalkantılı ve düzensiz hareket eder. • Laminerden türbülanslı akışa geçiş aniden olmaz.• Daha çok, akış tamamen türbülanslı oluncaya kadar laminer ve

türbülanslı akış arasında gider gelir. • Uygulamada karşılaşılan çoğu akışlar türbülanslıdır. • Yağ gibi yüksek viskoziteli akışkanların küçük borularda veya dar

geçitlerde aktığı hallerde laminer akış ile karşılaşılır.


Laminer – Türbulanslı Akış

• Sıvının akış hızının çok büyük olmadığı durumlarda laminer akış şekli gözlenir.

• Hızlı akma durumlarında tabakalı akış kaybolup türbülanslı akış(diğer adıyla girdaplı akış ) şekli ortaya çıkar.


Borularda Laminer akım

• Akışkanın her taneciği sabit hızda, boru eksenine paralel hareket ederek boru içerisinde düzgün bir akımın oluşmasını sağlar.


Borularda Laminer akım – Turbulans Akım

• Viskozite, yoğunluk ve akış borusunun iç çapına bağlı olan kritik hız, her sıvı için ve her boru için farklıdır. Akımın türünü, sıvının yoğunluk ve viskozluğu ile borunun çapından bağımsız olarak belirlemek üzere boyutsuz bir


Kayma gerilimi

• Sıvının kağıt destesi gibi, üst üste katmanlar halinde olduğu varsayılarak, sıvı yüzeyine kuvvet uygulandığında, hareketi başlatmak için gereken, birim alana uygulanan kuvvet "kayma gerilimi” (shearing stress) olarak adlandırılır.

• Kayma gerilimi aynı zamanda düzlemlerin yer değiştirmesine de neden olur.


Dinamik viskozite

• Sıvı tabakalarının birbirine göre hareketini engelleyen, sıvıların iç sürtünmesi olarak da tanımlanan "dinamik viskozite” (mutlak viskozite)’dir.

• Farklı sıvıların iç sürtünme kuvvetleri birbirinden olacaktır.


Kinematik Viskozite

• Sıvıların viskozitesine etki eden bir başka unsur sıcaklıktır. Sıvının belli sıcaklıktaki dinamik viskozitesinin aynı sıcaklıktaki yoğunluk değerine bölünmesiyle elde edilen değer "kinematik viskozite” olarak adlandırılır.


Newton Tipi Akışkanlar• Kayma hızının kayma

gerilmesiyle doğru orantılı olduğu akışkanlara Newton tipi akışkanlar denilmektedir.

• Su, hava,benzin,yağlar,vs. akışkanlar en çok bilinen newton tipi akışkanlara örnektir.

• Newton tipi akışkanların vizkositezi gerçek bir termodinamik özellik olup sıcaklık ve basınç ile değişmektedir.


Reynolds sayısı• Tüm newton tipi akışkanların viskoz davranışlarını belirleyen

ana parametre boyutsuz Reynolds sayısıdır:•

Re = (ρ.v.L)/μ = (v.L)/v

• Burada V ve L akışa ait karakteristik hız ve uzunluk ölçekleridir.• Re sayısının ikinci şekli ,μ’nün ρ’ya olan oranı olarak

tanımlanan kinematik viskoziteyi içerir:• v=μ/ρ


Reynold, Re Sayısı

• Re sayısının orta değerleri laminer akışa karşılık gelir. • Yüksek Re sayıları, olasıkla, zaman içinde yavaşça değişen

fakat bunu üzerine güçlü yüksek frekanslı rastgele çalkantıların eklendiği tirbülanslı akışa neden olur.


Newton Tipi Olmayan Akışkanlar

• Kan, sıvı haldeki plastikler, ketçap, boyalar, şampuan, vs. Newton tipi olmayan akışkan özelliğini taşırlar.

Newton tipi olmayan akışkanlar 3 ana gruba ayrılırlar;– Zamandan bağımsız sıvılar,– Zamana bağlı sıvılar,– Elastoviskoz sıvılar.


Sanki Plastik yada İncelen akışkanlar

• Dilatant akışkanlara zıt davranış gösterenlere ise (örneğin bazı boyalar, polimer çözeltileri ve süspansiyon halinde katı parçacıklı akışkanlar ) daha fazla şekil değişimine zorlanması halinde daha az viskoz hale gelirler.

• Bunlara sanki plastik (pseudoplastic) yada incelen akışkanlar da denir.


Sanki Plastik (Pseudoplastik Akış)

• Pseudoplastik akışta, akış eğrisi orjinden başlar,

• Pseudoplastik bir sıvının viskozitesi, kayma hızı arttıkça azalacağı için tek bir nokta ile ifade edilemez.

• Pseudoplastik akış eğrisi doğrusal değildir, logaritmik olarak ifade edilmektedir.

• Polimer çözeltileri, polimer içeren yarı katı sistemler, doğal ve sentetik zamklar, metil selüloz gibi maddeler pseudoplastik akış özelliği gösteren sıvılara örnek olarak verilebilir


Newton Tipi Olmayan Akışkanlar ve Özellikleri

• Newton tipi olmayan akışkanlar için; kayma gerilmesi ile deformasyon hızı arasındaki oran doğrusal değildir.

• Süspansiyon halindeki nişasta veya kum gibi akışkanlara dilatant veya kalınlaşan akışkanlar denir


Dilatant veya kalınlaşan Akışkanlar

• Kayma gerilimi arttıkça viskozitenin de arttığı bu sıvılar için pseudoplastik akışın tersi davranış gösterir demek yanlış olmayacaktır.

• Diğer bir deyişle bu tip sıvılar karıştırıldıkça koyulaşırlar.

• Konsantre partiküllerin dispersiyonları, çeşitli süspansiyonlar, emülsiyonlar ve yağlı boyalar bu tür akış gösteren sıvılara örnek olarak verilebilir.


Bingham Plastikleri

• Diş macunu gibi bazı maddeler sonlu büyüklükteki bir kayma gerilmesine karşılık koyabilir ve dolayısı ile bir katı gibi davranır.

• Ancak kayma gerilmesinin akma gerilmesini aşması halinde, sürekli şekil değiştirerek bir akışkan gibi davranır.

• Bu tür akışkanlara Bingham Plastikleri de denilmektedir.


Akışkan tipleri


Viskozite Birimleri

• SI birim sisteminde viskozitenin birimi pascal saniyedir. • (Pa.s) Pa.s(pascal.saniye) birimi ; kg m-1s-1 veya N s m-2 ile

eşdeğerdir. • CGS birim sistemindeki viskozite birimi poise (g cm-1 s-1) dir.

– 1 poise = 0,1 Pa.s veya – 1cP (centi poise) =1mPa s(mili Pa s)dır.– 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0.1 Pa·s.

• Suyun viskozitesi 20°C'de 1.0020 cP dir. Yaklaşık 1 cP.• Sıcaklık 0°C den 100°C çıktığında, suyun viskozitesi 1.79 cP

den 0.28 cP ye düşer).


Sıcaklık ve Viskozite

• Viskoziteyi etkileyen en önemli faktör sıcaklıktır. Sıcaklık arttıkça sıvıların viskoziteleri azalır.


Suyun farklı sıcaklılarda viskozitesi


Viskozite• Tüm akışkanlar akmaya karşı bir direnç gösterirler. • Bu dirence “viskosite veya akmazlık” adı verilir.

Akmazlığın birimi Poise olup,

• Poiseulle formülü tarafından verilir.• Burada,• V: r(cm) yarıçapında ve l(cm) uzunluğundaki bir

tüpten akan sıvının cm3 cinsinden hacımıdır. P: sıvıyı akıtan basınç, t: sıvının akış süresi olarak verilir.

•

VtPr

8

4


Stokes kanunu ve viskozite katsayısı• Yarıçapı r ve yoğunluğu olan bir küre bir sıvıya

konulursa aşağıya doğru olan kuvvet

• şeklinde verilir. • Bu kürenin sabit bir hızla hareket etmesi için maruz

kaldığı sürtünme kuvveti Stokes tarafından

• şeklinde verilmiştir. Burada v kürenin hareket hızını göstermektedir. Bu iki kuvvet eşitlenirse

gr34

F s3

vr6FS

gρρ9v2r

ηgρρπr34

ηvr s

2

s3 6


Stokes kanunu - iki ayrı sıvı için

• Bu ifade iki ayrı sıvı için

• şeklinde yazılabilir.

1

2

2

1

1

2

2

1

2

1

tt

vv

s

s

s

s


Boşluk Teorisi

• Çoğu sıvıların viskozitesi, artan sıcaklıkla azalır. Boşluk (hole) teorisine göre bir sıvı içerisinde boşluklar bulunmaktadır ve moleküller sürekli boşluklara doğru hareket ederler.

• Bu olay akışa izin verir, fakat bir molekülün bir boşluğa taşınması bir aktivasyon enerjisine ihtiyaç duyduğundan enerji gerektirir.

• Yüksek sıcaklıklarda aktivasyon enerjisi daha kolay temin edileceğinden sıcaklık yükseldikçe sıvı daha kolay akar..


Viskozite ve sıcaklık • Viskozitenin sıcaklığa bağımlılığı

• Buradaki E viskoz akışa ait aktivasyon enerjisidir.

• Görüldüğü gibi viskozite veya akmaya karşı gösterilen direnç sıcaklık ile ters orantılıdır .

RT

EA exp

CRT

EA

RT

E lnln


Viskozite ve basınç

• Diğer yandan artan basınçla bir sıvının viskozitesi artar, çünkü basıncın arttırılması sıvı içerisindeki boşluk sayısını azaltır ve bunun sonucu moleküllerin hareketi zorlaşır.

• Ancak yinede sıvıların viskoziteleri genellikle sıcaklığın kuvvetli bir fonksiyonu olmasına rağmen basınçtan pek fazla etkilenmezler.


SU - Viskozite – Basınç

• Düşük sıcaklıklarda basıncın hidrojen bağlarını azaltıcı etkisi daha ön plana çıkıyor. Dolayısıyla ilk başlarda bağların azalması ile viskozitenin azalması söz konusu.

• Ancak basıncın bu bağ kırıcı etkisi bir yere kadar. Daha sonra boşluklarda azalma daha baskın çıktığından basıncın artmasıyla viskozitede beklendiği şekilde artıyor.


Viskozite ölçümü niçin önemlidir• Her hangi bir maddenin yapısını değerlendirmekte o sıvının veya

gazın akışkanlığını viskozite yardımı ile ölçmek en verimli yoldur.• Örnek verecek olursak bir sıvının viskozitesi bir boru hattının

dizaynında yada madeni yağ,kimyasal madde gibi sıvıların boru hatları vasıtasıyla bir noktadan başka bir noktaya taşınmasında önemli bir parametredir.

• Viskozite düşük olduğunda ise pompa verimi düşer, sızıntı artar, aşınma olur ve hız azalır. Masraf artar.


Viskozite ölçümü

• Viskozite ölçümünün özellikle petro kimya sanayii dışında ayrıca gıda, basım (mürekkep), eczacılık, kozmetik gibi geniş bir alana yayılmış endüstrilerin üretim prosesi sırasındaki kalite kontrolünde olduğu gibi aynı zamanda kalite ve performansın geliştirilmesi maksatlı araştırma-geliştirme (Ar-Ge) faliyetlerinde de önemi çok büyüktür.


Oswald viskozimetresi

• r’nin (Tüp yarıçapı) doğrudan ölçülmesi çok zor olduğundan viskozite en kolay olarak viskozitesi bilinen bir başka sıvıya karşı bağıl olarak tayin edilir.

• Buna göre,

• Bunu tayinin yapılmasındaki en pratik araç Oswald viskozimetresidir.

22

11

22

11

2

1

tt

tPtP


Vizkozite Ölçüm Metodları• Viskozite ölçümü konusunda kullanılan

belli başlı metodları şöyle özetlemek mümkündür :

• 1-) Rotasyonel Viskozimetre : Viskozite akışkanın içerisine daldırılmış olan silindirik yapıdaki rotoru döndürmek için kullanılan torkdan yararlanılarak tespit edilir.


2-) Kapiler Viskozimetre• Viskozite akışkanın bir kapiler içinde akmasını sağlamak

yoluyla bulunur.Ölçüm kapilerin her iki ucundaki basınç farklılığı ile veya süre ile tespit


3-) Falling-ball Viskozimetre

• Silindirik yada küre şeklindeki standart bir cismin belirli bir mesafeden akışkan içinde serbest düşüşünü sağlayarak viskozite ölçülür.Bu sırada düşüşün süresi ölçülür.


4-) Kap tipi ve Redwood Viskozimetreler :

• Dibinde bir delik bulunan (Orifis) bir kaba doldurulan akışkanın , kabı boşaltması için gerekli sürenin tespiti ile belirlenir.

• Yağlarının viskozitesini belirlemel için kullanılır.

• Paslanmaz çelik su banyosu, Karıştırıcı, reostat, istenilen sıcaklıkta suyu alabilmek için dijital termostadlı daldırmalı elektrikli ısıtıcı, soğutma ünitesinden oluşur.


Yağların viskozitesi Saybolt Viskozitemetresi İle Yağların Ölçümü


Yeni Nesil - Vibro Viskozimetreler

• Numune içerisine iki adet ince sensör plakası daldırılmaktadır.

• Yaylı plakalar belirli bir frekansda titeştirildiğinde (vibrasyon) plakalar ile numunenin viskozitesine bağlı olarak bir sürtünme kuvveti oluşur.

• Vibro viskozimetre vibrasyon halindeki sensör plakalarının belirli ve sabit bir frekansda hareket etmesi için gerekli elektrik miktarını kontrol etmektedir.


Vibro Viskozimetreler

• Numunenin sürtünme kuvveti doğrudan numunenin viskozitesi ile oransal olduğundan sensör plakalarını sabit bir frekansda hareket ettirmek için gerekli olan elektriksel güç miktarı da her numunenin viskozitesi ile oransaldır.

• Belli bir frekansda titreştirilen sensör plakalarının yardımı ile dinamik bir ölçüm aralığında ve yüksek doğrulukta ölçüm yapmak mümkündür.


Kaynaklar

• Bu sunumun Hazırlanmasında Prof.Dr. Mehmet Levent AKSU’nun sunumlarından faydalanılmıştır. Bazı slaytlar olduğu gibi alınmıştır.

• Bu sunum tamamen bir ders notu niteliğinde olup, fiziko kimya ve benzer derslerde öğrencilerin viskozite konusunu iyi bir şekilde öğrenmeleri için resimlerle tasarlanmıştır.

• Bu sunumun hiçbir ticari amacı yoktur.

akmazlık

Documents