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La viscosità è una misura della resistenza di un fluido al flusso ed è un parametro utile nella progettazione di una lavorazione efficiente dei prodotti e del controllo qualità in un'ampia gamma di settori. La viscosità descrive l'attrito interno di un fluido in movimento. Un fluido con un'elevata viscosità resiste al flusso, mentre un fluido con una bassa viscosità scorre più facilmente. Un viscosimetro a tubo di vetro è comunemente usato per determinare la viscosità, che misura il tempo impiegato da un fluido a fluire attraverso un tubo capillare. I viscosimetri rotazionali, ad esempio con una geometria a piastra parallela, applicano forze di taglio e misurano la coppia necessaria per ruotare il fluido. Questo video illustra i principi della viscosità, dimostra come utilizzare un viscosimetro per determinare la concentrazione sconosciuta di una soluzione di glicole propilenico e discute alcune applicazioni industriali.
Per iniziare, esaminiamo i principi della viscosità. La viscosità dinamica di un fluido descrive la forza per unità di superficie, nota come sforzo di taglio, necessaria per spostare il fluido, in questo caso, parallelamente a un piano. Il fluido a stretto contatto con la piastra inferiore rimane a riposo e il fluido che tocca la piastra superiore ha la stessa velocità di quella piastra. Questo gradiente di velocità è dovuto all'attrito interno tra gli strati di fluido ed è noto come velocità di deformazione a taglio. La viscosità dinamica è definita come lo sforzo di taglio diviso per la velocità di deformazione a taglio. La viscosità può essere influenzata dalla temperatura, dalla densità del fluido e dalla composizione. Le variazioni di pressione, tuttavia, hanno un effetto trascurabile. Una volta nota la viscosità dinamica, la viscosità cinematica è il rapporto tra la viscosità dinamica e la densità del fluido. Questa è una misura della resistenza del fluido al flusso dovuta alla gravità. Diversi strumenti misurano sperimentalmente la viscosità cinematica, come il viscosimetro Canon-Fenske. Questo apparecchio è costituito da un grande bagno d'acqua a temperatura controllata con alette per mantenere costante l'equilibrio termico. Vengono utilizzati tubi capillari di diverse dimensioni a seconda della viscosità approssimativa del fluido. Utilizzando questo apparecchio, il fluido viene versato nel tubo e aspirato oltre i segni incisi. Quindi, viene misurato il tempo necessario al fluido per ritornare attraverso il tubo capillare, noto come tempo di efflusso. Il tempo di efflusso viene quindi moltiplicato per la costante di calibrazione del viscosimetro, che è specifica per il vetro capillare utilizzato per fornire la viscosità cinematica. Ora che conosci i fondamenti della viscosità, misuriamo la viscosità cinematica di soluzioni note di glicole propilenico per determinare la concentrazione di un campione sconosciuto.
Inizia l'esperimento preparando sette soluzioni per la calibrazione con concentrazioni variabili di glicole propilenico e acqua. Etichettare tutte le soluzioni con la concentrazione. Prelevare un campione della concentrazione sconosciuta e metterlo da parte. Controllare tutti i campioni liquidi per lanugine, polvere o particelle solide prima dell'uso e, se necessario, filtrare il campione attraverso un filtro di vetro centrato. Quindi, pulire il viscosimetro con acqua e asciugarlo con aria filtrata. Ricordarsi di utilizzare il tubo capillare di vetro di dimensioni adeguate per il viscosimetro, che dipende dalla viscosità approssimativa della soluzione da testare.
Ora, versa un campione nel viscosimetro, quindi pulisci il braccio. Quindi, posizionare il viscosimetro nel supporto e inserirlo nel bagno di temperatura. Attendere da 10 a 15 minuti per consentire al campione di stabilizzarsi alla temperatura del bagno. Quindi applicare l'aspirazione al braccio e aspirare il campione nel tubo. Ora prendi un cronometro e misura il tempo necessario affinché il campione scorra liberamente lungo il tubo capillare dopo aver lasciato il punto finale contrassegnato. Questo è il tuo tempo di efflusso. Ripetere la procedura per ogni campione. Ora che tutte le viscosità sono state misurate, diamo un'occhiata ai risultati e determiniamo la concentrazione del campione sconosciuto.
Per trovare la concentrazione del campione sconosciuto, utilizzare i dati dei campioni noti e interpolare la viscosità della soluzione incognita. Innanzitutto, determinare le viscosità cinematiche moltiplicando il tempo misurato per la costante del viscosimetro. Quindi convertire la viscosità cinematica in viscosità dinamica moltiplicando per la densità di massa. Successivamente, tracciare le viscosità cinematiche in funzione della molarità dei campioni noti. Il grafico mostra che la viscosità aumenta con l'aumentare della concentrazione di glicole propilenico. Determinare la relazione lineare tra viscosità cinematica e concentrazione di propilene. Quindi, interpolare la concentrazione del campione sconosciuto utilizzando la viscosità misurata. In questa dimostrazione, il campione sconosciuto conteneva il 45 per cento mol di glicole propilenico. Ora che hai appreso come viene utilizzata la viscosità per determinare la concentrazione, esaminiamo le numerose applicazioni della viscosità in ambienti industriali.
Il test della viscosità è importante in molti settori industriali, dalla raffineria di petrolio alla produzione di celle solari, fino alle applicazioni biomediche e alla ricerca. La misurazione precisa della viscosità nell'industria petrolchimica è di alta priorità perché viene utilizzata non solo per determinare la composizione del petrolio greggio, ma anche per valutare il controllo di qualità nei prodotti petrolchimici. La viscosità varia dal petrolio greggio agli idrocarburi liquidi e deve essere considerata per garantire condizioni operative efficienti di estrazione, movimentazione e raffinazione. La caratterizzazione reologica di sospensioni altamente concentrate è obbligatoria anche per lo sviluppo di applicazioni che coinvolgono fluidi complessi, come quelli utilizzati nella metallizzazione delle celle solari. Le proprietà di scorrimento delle paste conduttive devono essere regolate con cura per garantire una lavorazione indisturbata e priva di difetti e prevenire la sedimentazione e l'aggregazione delle particelle. In medicina, le tecniche microreologiche sono strumenti diagnostici che studiano la deformabilità dei globuli rossi e rilevano malattie del sangue come l'anemia falciforme, che influenzano la viscosità del sangue. I protocolli che utilizzano la microfluidica con velocità di taglio regolabili e l'elaborazione delle immagini vengono utilizzati per determinare quantitativamente l'aggregazione dei globuli rossi nella microcircolazione. Questi protocolli vengono utilizzati anche per caratterizzare i tessuti umani, come la materia cerebrale, per comprendere meglio la struttura e ingegnerizzare materiali bio-ispirati.
Hai appena visto l'introduzione di JOVE alla viscosità. Ora dovresti conoscere i principi fondamentali della viscosità, essere in grado di utilizzare un viscosimetro e comprendere l'importanza della viscosità in una varietà di applicazioni. Grazie per l'attenzione.
