لزوجة

رسم توضيحي لسريان سائل وعلاقته بالزوجه.

اللزوجة هي مقياس يوصف به قابلية سائل ما للجريان، ومقدار مقاومته لضغط يجبره على التحرك والسيلان. كلما زادت لزوجة سائل ما، قلّت قابليته للجريان. وكلما قلت اللزوجة، زاد مقدار ميوعة هذا السائل.

تكون جزئيات سائل عالي اللزوجة مرتبطة ببعضها بشكل قوي، وبذلك تكون أقل قدرة على التحرك. ويكبر احتكاكها بالجسم الصلب الملامس لها، ويمكن وصف اللزوجة بأنها إحتكاك داخلي بين جزيئات السائل.

و هي خاصيه مهمه من خصائص الموائع وبها يقاوم المائع التغير في الشكل الناتج من تأثير قوى القص المؤثره عليه. فإذا افترضنا وجود طبقه من المائع بين لوحين مستويين متوازيين كما بالشكل بحيث يثبت اللوح السفلى ويتحرك العلوى بسرعه V تحت تأثير قوه مقدارها F.

و يمكن تشبيه هذا الإحتكاك الداخلي للجزيئات بطبقات مسننة وممددة على بعضها البعض. وعند الجريان، تنزلق الجزيئات المكونة لهذه الطبقات على بعضها، وتحاول أن تتغلّب على هذه المسننات بواسطة قوة. مقدار لزوجة السائل يتحدد بواسطة هذه القوة بالإضافة إلى خواص السائل.

اللزوجة الحركية للسائل

تبين اللزوجة الحركية لسائل ما مقدار مقاومة السائل للجريان (السيلان) عند حركتة وعلاقة هذه المقاومة بدرجة حرارة السائل. فكلما زادت الحرارة، تقل اللزوجة الحركية ويصبح السائل أكثر ميوعة. يعود السبب في ذلك إلى قوى التماسك بين الجزيئات والتي تطغى على انتقال العزم الجزيئي بين هذه الجزيئات، وهذا أيضاً بسبب تقارب الجزيئات بشكل كبير (هذا يفسر سبب صغر حجم السوائل مقارنة بالغازات). عند تسخين السائل، فإن قوى التماسك بين الجزيئات تقل وبالتالي تقل قوى التجاذب بينها، مؤدية بالنهاية إلى تقليل لزوجة السائل.

من جهة أخرى، كلما زادت سرعة التدفق إرتفعت اللزوجة، أي أن مقاومة السائل للسير بالحركة تزداد مع ازدياد الضغط.

نفترض وجود لوحين متوازيين بينهما مسافة x ومساحة كل منهما A، ونقترض وجود سائل يملأ المكان بين اللوحين. فإذا بدأنا تحريك اللوح 2 يسرعة ثابتة v فتتحرك طبقة السائل الملاصقة للوح 2 أيضا بالسرعة v. وبما أن اللوح 1 ثابت لا يتحرك فإن طبقة السائل الملاصقة له تبقى لا تتحرك. أي أن طبقات السائل بين اللوحين ستتحرك بسرعات متناسبة طرديا مع المسافة بين اللوحين (أنظر الشكل، حيث يتناسب كل سهم مع سرعته).

ويمكن أن تبين التجربة أن القوة F التي تحرك اللوح 2 تتناسب تناسبا طرديا مه مساحة اللوح A، كما تتناسب تناسبا طرديا مع سرعة اللوح v، وتتناسب تناسبا عكسيا مع المسافة x بين اللوحين، أي أن :

$F\sim {\frac {Av}{x}}$

ويمكن تحويل العلاقة إلى معادلة بوساطة ثابت التناسب $\eta$:

$F=\eta {\frac {Av}{x}}.$

ويسمى ثابت التناسب $\eta$ اللزوجة الحركية وأحيانا يقال لها اللزوجة.

ووحدة اللزوجة هي نيوتن. ثانية / متر ²

أي = (N.s/m²)

ويقال أن ادة معينة يكون لها اللزوجة 1Ns/m² عندما تكون مساحة اللوحين 1 متر ² ,ان نكون المسافة بينهما 1 متر، فتكون القوة المطلوبة 1 نيوتن (1N) لكي نحرك اللوح بالنسبة للأخر بسرعة 1 متر / ثانية.

وبالنسبة إلى الوحدة نجد أن:

$1{\rm {N}}=\eta \cdot \left({\frac {{\rm {m}}^{2}\,{\rm {m}}}{{\rm {m}}\,{\rm {s}}}}\right)\Rightarrow \eta ={\frac {{\rm {N}}\,{\rm {s}}}{{\rm {m}}^{2}}}.$

وعندما نكون $\eta$ لا تعتمد على السرعة v يسمى السائل سائل نيوتوني إشارة إلى نيوتن. وبالنسبة لهذا السائل تتناسب سرعة كل طبقة سائل بين اللوحين تناسبا طرديا. أما إذا كانت $\eta$ تتغير بتغير السرعة v (دالة للسرعة) فيسمى السائل سائل لا نيوتوني .

اعتماد لوزجة بعض السوائل على درجة الحرارة : أسود ماء، أخضر ايثانول، أزرق زئبق، أحمر زيت زيتون، والبنفسجي أسيتون. ويبين الرسم تغير اللزوجة بين درجة حرارة -100 إل 150 درجة مئوية.

تغير لزوجة محلول الجليسرول بتغير نسبة تركيزه في المحلول عند درجات حرارة مختلفة. المنحنى الرمادي اللون يبين مخلوط الجليسرول والسكاروز عند درجة 20 مئوية

القياس

قياس اللزوجة إذن يتم عبر القيام بتجربة يتم فيها ضغط سائل معين تحت تأثير قوة خارجية عبر أنبوب ذو قطر محدد، ويقاس عندها كمية السائل الذي يخرج في وقت معين. لتكون وحدة قياس اللزوجة بال النيوتن ثانية بالمتر المربع. أو بالباسكال ثانية حيث النيوتن بالمتر المربع يساوي 1 باسكال.

قيم اللزوجة لبعض السوائل:

مادة السائل	قيمة اللزوجة بال mPa s
ماء	1
ماء (25°)	0.891
زيت إحتراق	0.65
إسفلت	105
دم (37°)	4 حتى 25
زيت زيتون	102
عسل	104
زجاج	102 حتى 104

هذه القيم تقريبية. قيمة حرارة التجربة 20°

لزوجة الغازات

للغازات أيضاً لزوجة يمكن مراقبة نبض جريانها تحت المجهر. حيث أن لزوجة الغازات لا تتعلق بالضغط بل بمعدل الطول البعدي لجزيئات الغاز. لكن في الغاز تحدث الظاهرة بشكل معاكس عند دراسة تأثيرات درجة الحرارة. تزداد لزوجة الغازات بزيادة درجة حرارتها. السبب في ذلك يتعلق أيضاً بحركة الجزيئات والقوى بينها. في الغازات تكون قوى التماسك بين الغازات أقل، بينما انتقال العزم الجزيئي أعلى. عند زيادة درجة الحرارة يزداد انتقال العزم الجزيئي أكثر وهذا يؤدي إلى زيادة لزوجة الغاز.

الجدول التالي يعطي لزوجة بعض الغازات : بالنسبة إلى ثابت سترلاند C أنظر أسفله.

الغاز	$C$ [K]	$T_{0}$ [K]	${\mu }_{0}$ [10−6 Pa s]
هواء	120	291.15	18.27
نيتروجين	111	300.55	17.81
أكسجين	127	292.25	20.18
ثاني أكسيد الكربون	240	293.15	14.8
أول أكسيد الكربون	118	288.15	17.2
هيدروجين	72	293.85	8.76
أمونيا	370	293.15	9.82
ثاني أكسيد الكبريت	416	293.65	12.54
هيليوم	79.4	273	19

• اعتماد لزوجة الغازات على درجة الحرارة

صاغ سترلاند علاقة يمكن بواسطتها حساب لزوجة الغاز عند درجات الحرارة المختلفة (باعتبار أن الغاز غازا مثالياً، والعلاقة هي حيث C ثابت سترلاند :

${\mu }={\mu }_{0}{\frac {T_{0}+C}{T+C}}\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)^{3/2}$

حيث:

• ${\mu }$ الزوجة الحركية بوحدة باسكال. ثانية عند درجة الحرارة المطلوبة T،

• ${\mu }_{0}$ = reference viscosity in (Pa·s) اللزوجة المرجعية باسكال. ثانية عند درجة الحرارة المرجعية $T_{0}$،
• $T$ درجة الحرارة المطلوبة كلفن،

• $T_{0}$ درجة الحرارة المرجعية كلفن،

• $C$ ثابت سترلاند للغاز المراد حساب لزوجته.

وتنطبق تلك المعادلة على الغازات عند درجة حرارة T بين 0 كلفن و 555 كلفن عند ضغط أقل من 3.45 ميجا باسكال (مليون باسكال)، ويبلغ الخطأ الناشئ عن التقريب 10%.

معامل اللزوجة

هو قوة تماس تؤثر على وحدة المساحة فتنتج فرق بالسرعة يساوي الوحدة بين الطبقتين للسائل المسافة العمودية بينهما الوحدة العوامل المؤثرة على معامل اللزوجة هي درجة الحرارة ونوع المادة واحدتها.

• أنظر المرجع الخارجي [1].

أنظر أيضا

• حالة سائلة
• ميكانيكا الموائع
• سائل
• غاز
• رقم كنودسن