مقدمة إلى اللزوجة
اللزوجة، ببساطة، هي المقياس المستخدم لتحديد مقاومة تدفق السائل. يحدث هذا الاحتكاك الداخلي عندما تحتك جزيئات السائل ببعضها البعض وتسبب نوعًا من "الالتصاق". وفي العديد من المجالات، بدءًا من صناعة البترول مرورًا بقطاع الأغذية والمشروبات وحتى الطب، يجد هذا المفهوم مكانًا مهمًا له.
يعد فهم اللزوجة أمرًا ضروريًا لضمان التشغيل السلس وتحسين العمليات، خاصة تلك التي تتضمن حركة السوائل والتعامل معها. يهدف هذا الدليل إلى استكشاف تعقيدات اللزوجة كخاصية سائلة بعمق من خلال شرح مبادئها وقياسها وتأثيراتها واسعة النطاق عبر مختلف الصناعات.
يشبه الماء، وشبه لزج، ولزج
بالنسبة لديناميكيات الموائع، تعتبر اللزوجة مفهومًا حيويًا. يصف قدرة السائل على مقاومة التدفق. يتدفق السائل بشكل أبطأ إذا كان ذو لزوجة أعلى. مصطلحاتنا الثلاثة الرئيسية للتعبير عن هذه الخاصية هي: الشبيه بالماء، وشبه اللزج، واللزج.
الشبيهة بالماء: يشير هذا المصطلح إلى السوائل منخفضة اللزوجة (مثل الماء) التي تتدفق بسهولة وسرعة، على سبيل المثال، العصير أو المشروبات التي أساسها الشاي أو المواد الكيميائية مثل الكحول أو الزيت وغيرها.
شبه لزج: يشير هذا المصطلح إلى السوائل ذات المستويات المتوسطة من السماكة. وهي لا تتدفق بحرية مثل السوائل الشبيهة بالماء ولكنها ليست سميكة مثل السوائل اللزجة. ومن الأمثلة على ذلك زيت الزيتون أو العسل في درجة حرارة الغرفة.
لزج: يشير هذا المصطلح إلى السوائل عالية اللزوجة والتي تكون سميكة وبطيئة الحركة، مثل الدبس أو الشراب أو الغليسيرين.
تذكر أن اللزوجة تتغير مع درجة الحرارة؛ وبالتالي، يمكن أن يكون السائل أكثر مائيًا عند تسخينه (أقل كثافة) أو أكثر سمكًا عند تبريده.
في بعض الأحيان يكون من الضروري وصف مدى سمك أو رقة السائل بدقة. لذلك، نستخدم كلمة "centipoise" بدلاً من مصطلحات مثل شبه سميك/شبه سميك/يشبه الماء/سميك/سميك/شبه رقيق/رفيع جدًا. هذه طريقة لقياس اللزوجة، والتي تشير إلى مقاومة أي سائل للتدفق.
فهم Centipoise وأهميته
Centipoise (cP) هي وحدة قياس لزوجة السائل الأكثر استخدامًا في البيئات الصناعية. وهو يمثل المقاومة التي يجب أن يتدفق بها السائل، حيث تعادل درجة مئوية واحدة لزوجة الماء في درجة حرارة الغرفة. وهذا يساعد على فهم ومقارنة لزوجة السوائل المختلفة بسهولة أكبر.
تظهر مواد مختلفة مستويات مختلفة من اللزوجة أو المقاومة للتدفق المقاس بالمئوية (cp) فيما يتعلق بلزوجتها. فيما يلي 20 عنصرًا واللزوجة المقابلة لها:
زبدة الفول السوداني: تتميز زبدة الفول السوداني بلزوجة عالية، تدل على ذلك قيمتها البالغة 250.000 سنتي، مما يجعلها سميكة ولزجة.
معجون الطماطم: هذه مادة لزجة أخرى تبلغ قيمة لزوجتها 190.000 سنتي.
جل النفطي: المنتج المنزلي النموذجي له قيمة لزوجة تبلغ 64.000 سنتي.
الحبر (لصق): تبلغ لزوجته 45000 سنتي، ويصنف على أنه شديد اللزوجة.
النفط-SAE 140: اللزوجة = 2,200 سنتي؛ يقع في فئة تسمى لزج.
شامبو: نطاق اللزوجة التقريبي لها يتراوح بين 800 و 1000 سنتي، لذلك يمكن الإشارة إليها بشكل قاطع على أنها مادة لزجة.
مستحضر الأيدي و الجسم: شبه لزج حيث تبلغ لزوجته حوالي 700 سنتي بواز
بلاستيسول: تتميز هذه المادة أيضًا بنوع من شبه اللزوجة نظرًا لزوجتها العالية نسبيًا = 700 سنتي بواز
النفط-SAE 90 حصل على شبه لزوجة مع قراءته المنخفضة -590 سنتي بواز
ورنيش سبار: يقع بين مجموعة شبه اللزوجة وقراءته المتوسطة تعادل 420 سنتي بواز
زيت الصويا: يقع زيت فول الصويا ضمن فئة شبه سميكة لأنه يحتوي على قراءة لزوجة تبلغ 160 سنتي بواز.
شراب القيقب يتم تصنيفه على أنه شبه سماكة حيث أن اللزوجة مسجلة عند 144 سنتي.
زيت SAE 20: بالعكس لزوجته 125 سنتي وتندرج تحت شبه اللزج.
زيت الذرة: لزوجته 72 سنتي، لذا فهو ينتمي إلى مجموعة الزيوت شبه اللزجة.
الحبر السائل: لزوجته أعلى من زيت الذرة ويبلغ حجمها حوالي 25 سنتي.
كولونيا/عطور: كثيفة بسبب اللزوجة المنخفضة التي تتراوح من واحد إلى سبعة مئوية (cp).
الماء: سيولة الماء هي 1cp، أي أنه مادة شديدة اللزوجة.
هواء: الهواء، على سبيل المثال، له لزوجة تبلغ حوالي 0.018cp، وبالتالي لا يندرج ضمن فئة السوائل اللزجة.
حامض الكبريتيك: على الرغم من مخاطره، فإن درجة لزوجة حامض الكبريتيك هي 0.2 سنتي، وهي نسبة ضئيلة للغاية.
الزئبق هو سائل كثيف ذو لزوجة عالية نسبيا تبلغ حوالي 1.55 سنتيبواز (cp). مقارنة بالمواد المذكورة سابقا.
أهمية اللزوجة في السوائل
قد يكون للاختلافات في الاتساق بين السوائل تأثيرات مباشرة على السلوك والوظيفة. على سبيل المثال، تتأثر عمليات استخراج النفط الخام وتكريره بالتزام صناعة النفط بالطابع الداخلي للنفط الخام. تواجه صناعة المواد الغذائية أيضًا هذا النوع من التحدي لأن الأطعمة يمكن أن تتحول إلى هلام أو حساء اعتمادًا على سمكها، وهو ما يحدث بسبب لزوجة الصلصات أو المشروبات. بشكل أساسي، لا يمكن تحقيق الحفاظ على جودة المنتج وتبسيط عملية الإنتاج إلا إذا فهم المرء لزوجته وتحكم فيها.
التطبيقات الشائعة للزوجة
تجد اللزوجة تطبيقات واسعة النطاق عبر مجموعة واسعة من الصناعات. وفي صناعة الأدوية، يتم استخدامه لتحديد الجرعات الصحيحة للأدوية السائلة. في صناعة السيارات، من الضروري اختيار مواد التشحيم المناسبة. في الأطعمة والمشروبات، تؤثر اللزوجة على ملمس الفم وتوزيع المنتجات. وفي صناعة الطلاء، فإنه يحدد سهولة التطبيق ووقت التجفيف. وعلى هذا النحو، يعد فهم اللزوجة والتحكم فيها جزءًا لا يتجزأ من نجاح هذه الصناعات.
قياس اللزوجة
غالبًا ما تكون المعرفة حول لزوجة سائل معين أمرًا بالغ الأهمية؛ ومع ذلك، قياسه في الواقع قد يسبب مشاكل. وقد تم تطوير عدد من الأساليب، ولكل منها مزاياها وعيوبها.
طرق قياس اللزوجة
مقاييس اللزوجة الشعرية قم بقياس الوقت الذي يستغرقه السائل للتدفق عبر أنبوب صغير أو أنبوب شعري. إن معدل حدوث التدفق يتناسب خطيا مع اللزوجة.
مقاييس اللزوجة الدورانية: في هذه الحالة يتم إدخال المغزل في السائل ومن ثم تدويره باستمرار. من خلال حساب مقاومة مثل هذه الحركات، يمكنك بسهولة معرفة نوع اللزوجة التي يمتلكها هذا السائل.
أجهزة قياس اللزوجة ذات الكرة المتساقطة: الحاوية الأسطوانية المملوءة بتلك المادة تحتوي على كرة واحدة تسقط بداخلها. تشير السرعة النهائية (السرعة التي تسقط بها الكرة) إلى مدى سمك أو ضعف السائل.
أجهزة قياس اللزوجة: أدوات لقياس اللزوجة
لقياس اللزوجة بواسطة مقاييس اللزوجة، هناك أنواع مختلفة مصممة خصيصًا لأغراض معينة. وعلى هذا النحو، فإن الاختيار من بينها يعتمد على عوامل مثل التغيرات في درجات الحرارة في السائل الذي يتم قياسه ودرجة الدقة المطلوبة أثناء التجربة.
المتغيرات الحرجة في قياس اللزوجة
تشمل المتغيرات التي تؤثر على قياس اللزوجة درجة الحرارة حيث أن اللزوجة قد تتغير بشكل كبير مع اختلاف درجة الحرارة. يعد الضغط أيضًا مهمًا جدًا، خاصة بالنسبة للغازات والسوائل شديدة اللزوجة. عند محاولة الحصول على قياسات أكثر دقة للزوجة، يجب أن تفكر في الأدوات المستخدمة بالإضافة إلى مدى دقة حساب القيم. وبالتالي فإن معرفة هذه المتغيرات تصبح ضرورية أثناء التعامل مع أي قياسات للزوجة.
السوائل النيوتونية وغير النيوتونية
تعد درجة الحرارة والضغط والتركيب من العوامل التي تؤثر على لزوجة السائل. تعد معرفة هذه العوامل أمرًا حيويًا في الصناعات التي يكون فيها تنظيم سلوك السائل أمرًا مهمًا، مثل إنتاج الأغذية والمشروبات والنفط والغاز والأدوية والتصنيع.
العلاقة بين درجة الحرارة واللزوجة
هناك علاقة عكسية بين درجة الحرارة واللزوجة في السوائل. ونتيجة لارتفاع درجة الحرارة، تزداد أيضًا الطاقة الحركية للجزيئات، مما يجعلها تتحرك بقوة. هذا يقلل من اللزوجة. ببساطة، يصبح السائل أقل سمكًا ويتدفق بسهولة أكبر. ومن الأمثلة على ذلك العسل، الذي يميل إلى أن يكون أسهل في صبه عند تسخينه لأن درجة حرارته تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة.
علاقة الضغط واللزوجة
نظرًا لأن السوائل نادرًا ما تنضغط تحت الضغط، على عكس الغازات، فإن حجمها لا يتغير. ومع ذلك، فإن الضغط يؤثر على لزوجتها. في معظم السوائل، يؤدي الضغط المتزايد إلى زيادة اللزوجة. يتم تقريب الجزيئات من بعضها البعض مما يجعل التدفق صعبًا. يمكن أن تكون علاقة الضغط باللزوجة ذات أهمية خاصة في العمليات الصناعية ذات الضغط العالي أو استكشاف أعماق البحار، حيث يمكن أن تؤثر الاختلافات في الضغط بشكل كبير على كيفية تصرف السائل.
تكوين في مستويات مختلفة من اللزوجة
يؤثر تكوين السائل أيضًا على لزوجته من خلال أعداد وأنواع الجزيئات المختلفة التي يتكون منها. على سبيل المثال، الماء أكثر كثافة من الزيت بسبب اختلاف تركيبهما الجزيئي. علاوة على ذلك، فإن المذيبات التي تحتوي على مواد مذابة قد تظهر تغيرات في لزوجتها. وبعبارة أخرى، فإن وضع السكر في الماء سيؤدي إلى زيادة كثافة الماء. وبالتالي، هناك حاجة إلى فهم كيفية تفاعل الخليط مع التغيرات في مكوناته، مما يؤدي إلى تغيرات في اللزوجة.
الاستنتاج والاتجاهات المستقبلية في قياس اللزوجة
اللزوجة، والتي توصف غالبًا بأنها "سمك" السائل، تعتمد على درجة الحرارة أو الضغط أو التركيب، من بين عوامل أخرى. هذه العلاقات متشابكة بشكل معقد، مما يؤدي إلى ظهور موائع ذات لزوجات مختلفة في بيئات مختلفة ناقشناها أعلاه. ولا يمكن المبالغة في التأكيد على أهمية فهم هذه العلاقات عبر العديد من الصناعات، من التصنيع إلى استكشاف أعماق البحار؛ وهذا سيمكن الباحثين من التنبؤ والتحكم في سلوك المخاليط والحلول المتنوعة.
تقنيات قياس اللزوجة: ما هي الخطوة التالية؟
تعتبر هذه الاتجاهات والتطورات المستقبلية مهمة للعمليات الصناعية وتعزز الابتكارات والكفاءات داخل الصناعات المختلفة.
أسئلة متكررة حول لزوجة السائل
س: ما المقصود باللزوجة؟
ج: تقيس اللزوجة مقدار المقاومة التي يتمتع بها السائل عندما يتشوه أو يتدفق بحرية؛ فهو يقيس درجة الاحتكاك الداخلي داخل المشروب أو العصير.
س: كيف يتم قياس اللزوجة؟
ج: هناك أنواع مختلفة، مثل أجهزة قياس اللزوجة الشعرية، وأجهزة قياس اللزوجة القابلة للخطأ الدوراني، وأجهزة قياس اللزوجة الاهتزازية، والتي تستخدم لقياس اللزوجة باستخدام أجهزة تسمى مقياس اللزوجة.
س: تعريف اللزوجة الديناميكية.
ج: تشير اللزوجة الديناميكية أو المطلقة إلى مقاومة السائل ضد التدفق بسبب إجهاد القص - η (eta). يمكن قياسه إما بالباسكال-الثواني (Pa·s) أو الاتزان (P).
س: ما معنى الحركية؟
ج: تشير اللزوجة الحركية إلى النسبة بين معلمتين، اللزوجة الديناميكية وكثافة السائل. يُشار إليه بـ ν (nu)، ووحدة قياسه هي إما ستوك (St) أو متر مربع في الثانية (م²/ث).
س: كيف تؤثر درجة الحرارة على اللزوجة؟
ج: بشكل عام، كلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت اللزوجة. يحدث هذا لأنه عندما تكتسب الجزيئات الموجودة في السائل أو المائع المزيد من الطاقة، فإنها تتحرك بشكل أسرع مما يعني أنها تتطلب طاقة أقل للتغلب على أي قوى بين الجزيئات.
س: ما هي الوحدات التي تقاس اللزوجة؟
ج: وحدة اللزوجة الديناميكية في النظام الدولي للوحدات (SI) هي باسكال ثانية (Pa·s) أو اتزان (P)، في حين أن اللزوجة الحركية لها متر مربع في الثانية (m²/s) أو ستوك (S).
س: ما هي لزوجة الماء؟
ج: يصبح الماء أكثر كثافة مع انخفاض درجات الحرارة، ولكن عادةً ما تكون قيمته المطلقة حوالي 0.001 بويز أو 1 سنتيبواز عند 20 درجة مئوية.
س: كيف يحدد قانون اللزوجة اللزوجة؟
ج: ينص قانون اللزوجة على أن إجهاد القص الذي يمارس على السائل تحت ظروف التدفق يتناسب طرديا مع معدل إجهاد القص داخله. يمكن تمثيل ذلك رياضيًا كـ τ = μ(du/dy)، حيث τ تمثل إجهاد القص، μ تعني اللزوجة الديناميكية، و(du/dy) تشير إلى تدرج السرعة أو معدل التغير في السرعة فيما يتعلق بالمسافة.
س: هل يمكنك إعطاء أمثلة للتطبيقات النموذجية التي تتضمن قياس الخواص اللزوجة؟
ج: تستخدم العديد من الصناعات، مثل تجهيز الأغذية والأدوية والبترول والطلاء، قياس اللزوجة. ويتم تحديد سلوك تدفق السوائل من خلاله، مما يضمن أن المنتجات تتوافق مع المعايير الصحيحة.
س: ما أهمية اللزوجة في تدفق السوائل؟
ج: قد يكون للقوة اللزوجة في السائل تأثير حاسم على تدفق السائل لأنها قد تؤدي إلى بعض المقاومة للتدفق أو حتى قوى الاحتكاك داخل السائل. فهو يؤثر على مستويات كفاءة الأنظمة المختلفة فيما يتعلق بأداء السائل، مثل معدل التدفق، من بين أمور أخرى.
