Độ nhớt là gì? Công thức và các loại độ nhớt cần biết
Độ nhớt là một khái niệm quen thuộc nhưng không phải ai cũng hiểu rõ về bản chất và vai trò của nó trong đời sống cũng như trong công nghiệp. Tại sao nước lại chảy nhanh hơn mật ong? Vì sao dầu nhớt cần thay đổi theo mùa? Tất cả đều liên quan đến độ nhớt – thước đo khả năng kháng lại chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí. Trong bài viết này, Testostore sẽ cùng tìm hiểu sâu về độ nhớt là gì, công thức tính, đơn vị đo lường cũng như các loại độ nhớt phổ biến hiện nay để hiểu rõ hơn về đặc tính quan trọng này.
Độ nhớt là gì?
Khi một chất lỏng chuyển động, nó không chảy tự do hoàn toàn mà luôn có một lực cản nhất định. Lực cản này được gọi là độ nhớt. Hiểu đơn giản, độ nhớt là thước đo mức độ “dày” hay “loãng” của chất lỏng và khả năng chống lại sự chuyển động của nó.
Độ nhớt xuất hiện khi có sự trượt giữa các lớp chất lỏng. Nếu chất lỏng có độ nhớt cao, các lớp chất lỏng sẽ cọ xát mạnh vào nhau, tạo ra nhiều ma sát bên trong, khiến nó chảy chậm hơn. Ngược lại, một chất lỏng có độ nhớt thấp sẽ chảy nhanh và dễ dàng hơn do ít ma sát hơn giữa các lớp. Không chỉ chất lỏng, các chất khí cũng có độ nhớt, nhưng thường khó nhận thấy hơn trong điều kiện bình thường.
Định nghĩa độ nhớt
Đơn vị và công thức độ nhớt
Trong hệ SI, độ nhớt được đo bằng poiseuille (PI) hoặc pascal-giây (Pa·s). Ngoài ra, đơn vị k hác như newton-giây trên mét vuông (N·s/m²) cũng được sử dụng. Công thức kích thước của là [ML⁻¹T⁻¹].
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt
- Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của chất lỏng giảm, khiến chất lỏng chảy dễ hơn.
- Ngược lại, độ nhớt của khí lại tăng khi nhiệt độ tăng, khiến luồng khí chuyển động chậm hơn.
Điều này lý giải vì sao dầu nhớt trong động cơ xe cần được chọn theo nhiệt độ môi trường để đảm bảo hiệu suất bôi trơn tốt nhất.
Tại sao nước chảy nhanh hơn mật ong?
Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao nước chảy nhanh, trong khi mật ong lại đặc quánh và di chuyển chậm hơn? Câu trả lời nằm ở độ nhớt – thước đo lực cản bên trong chất lỏng đối với dòng chảy.
Nước có độ nhớt thấp, đồng nghĩa với việc các phân tử nước có thể dễ dàng trượt qua nhau, giúp chúng chảy nhanh và linh hoạt. Ngược lại, mật ong có độ nhớt cao, lực ma sát giữa các phân tử lớn hơn, khiến dòng chảy của nó bị chậm lại và khó di chuyển hơn.
Bên cạnh đó, nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng. Khi đun nóng, mật ong trở nên loãng hơn, các phân tử chuyển động linh hoạt hơn, làm giảm độ nhớt và giúp mật ong chảy nhanh hơn. Đây cũng là lý do tại sao vào mùa đông, mật ong đặc hơn so với mùa hè.
Công thức độ nhớt
Độ nhớt được xác định dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất cắt và gradien vận tốc trong chất lỏng. Nói cách khác, nó đo lường mức độ một chất lỏng kháng lại sự thay đổi hình dạng khi có lực tác động.
Một cách phổ biến để tính độ nhớt là thả một quả cầu nhỏ vào chất lỏng và quan sát chuyển động của nó. Khi quả cầu rơi xuống, lực cản của chất lỏng sẽ làm chậm vận tốc của nó. Dựa vào các thông số liên quan, ta có thể xác định độ nhớt theo công thức:
Trong đó:
- η\etaη: Độ nhớt của chất lỏng (Pa.s)
- Δρ\Delta \rhoΔρ : Độ chênh lệch mật độ giữa chất lỏng và quả cầu (kg/m³)
- aaa : Bán kính của quả cầu (m)
- ggg : Gia tốc trọng trường (m/s²)
- vvv : Vận tốc ổn định của quả cầu khi rơi trong chất lỏng (m/s)
Phương pháp này thường được ứng dụng trong thực tế để đo độ nhớt của các chất lỏng như dầu bôi trơn, mật ong hay các dung dịch công nghiệp. Nó giúp xác định chính xác khả năng chảy của một chất lỏng dưới tác động của trọng lực.
Các loại độ nhớt
Độ nhớt thể hiện mức độ ma sát bên trong của chất lỏng khi nó chuyển động. Dựa vào phương pháp đo lường, độ nhớt được chia thành hai loại chính:
- Độ nhớt động (hay độ nhớt tuyệt đối)
- Là thước đo lực cản của chất lỏng khi có ngoại lực tác động, ch ẳng hạn như khi khuấy hay bơm chất lỏng.
- Được ký hiệu là η\etaη, đơn vị phổ biến là Pascal-giây (Pa·s) hoặc Poise (P).
- Ví dụ: Khi bạn khuấy một ly mật ong, lực cản mà bạn cảm nhận được chính là do độ nhớt động của mật ong.
- Độ nhớt động học
- Đo tốc độ chảy của chất lỏng dưới tác động duy nhất của trọng lực, mà không có lực bên ngoài tác động.
- Ký hiệu là ν\nuν, được tính theo công thức:
ν=ηρ\nu = \frac{\eta}{\rho}ν=ρη
Trong đó ρ\rhoρ là khối lượng riêng của chất lỏng. - Đơn vị đo: m²/s hoặc Stoke (St).
- Ví dụ: Khi rót dầu và nước từ cùng một độ cao, dầu chảy chậm hơn do có độ nhớt động học cao hơn.
Chất lỏng Newton và Phi Newton
Nhiệt độ và áp suất là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng:
- Nhiệt độ tăng → Độ nhớt của chất lỏng giảm, giúp chất lỏng chảy dễ dàng hơn.
- Áp suất tăng → Độ nhớt tăng do các phân tử bị nén chặt, làm cản trở dòng chảy.
Dựa vào sự thay đổi độ nhớt dưới tác động của ngoại lực, chất lỏng được chia thành hai loại:
- Chất lỏng Newton: Độ nhớt không đổi dù có thay đổi về áp suất hay lực tác động. Chúng tuân theo định luật Newton về độ nhớt, trong đó ứng suất cắt tỷ lệ thuận với tốc độ biến dạng.
- Ví dụ: Nước, dầu, rượu – có dòng chảy ổn định, dễ dự đoán.
- Chất lỏng phi Newton: Độ nhớt biến đổi khi có tác động từ ngoại lực hoặc thay đổi nhiệt độ. Một số chất lỏng có thể chảy nhanh hơn khi khuấy mạnh (sơn), trong khi một số khác lại đặc hơn khi chịu lực (kem đánh răng).
- Ví dụ: Kem đánh răng, sơn, sốt mayonnaise, mật ong – dòng chảy phụ thuộc vào lực tác động.
Phương pháp đo độ nhớt
Việc xác định độ nhớt của chất lỏng có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những cách đơn giản nhất là thả một quả cầu kim loại vào chất lỏng và đo thời gian rơi của nó. Nếu quả cầu rơi chậm, chứng tỏ chất lỏng có độ nhớt cao. Ngược lại, nếu quả cầu rơi nhanh, độ nhớt của chất lỏng thấp. Tuy nhiên, để có kết quả chính xác hơn, người ta sử dụng máy đo độ nhớt chuyên dụng.
Kết luận
Độ nhớt không chỉ là một khái niệm kỹ thuật đơn thuần, mà còn là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực trong đời sống và công nghiệp, từ việc lựa chọn dầu bôi trơn cho động cơ đến thiết kế quy trình sản xuất thực phẩm, mỹ phẩm. Qua bài viết này, Testostore hy vọng bạn đã hiểu rõ độ nhớt là gì, công thức tính toán, đơn vị đo lường cũng như các loại độ nhớt phổ biến. Nắm vững đặc tính trên sẽ giúp bạn đưa ra những quyết định chính xác hơn trong việc sử dụng và ứng dụng các chất lỏng trong thực tế.
