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Generalità sulla viscosità: La viscosità è la proprietà fisica di un fluido generata dal suo attrito interno, che si manifesta come resistenza al flusso della massa, ed è definita dalla forza che si oppone alla variazione irreversibile di posizione dei suoi elementi di volume. La sua misura mette a disposizione della ricerca e del controllo tecnologico un'importante proprietà delle sostanze naturali e dei prodotti industriali, atta a valutare il loro comportamento nello studio del moto dei fluidi, per es. lo scorrimento in condotti, i processi di distribuzione su superfici (verniciatura, spalmatura, lubrificazione, ecc.) e la loro possibilità di lavorazione, applicazione o impiego.
Lo studio della viscosità è un capitolo della reologia, la scienza che studia la deformazione della materia nei suoi diversi stati di aggregazione sotto l'azione di forze agenti su di essa. Allo stato solido in genere è associato il concetto di deformazione elastica reversibile, ai liquidi quello di flusso viscoso o deformazione irreversibile. Tale distinzione non è netta perché i materiali a struttura complessa (sostanze macromolecolari naturali e artificiali) presentano contemporaneamente ambedue i comportamenti.
In un solido ideale l'energia impiegata per la deformazione elastica viene restituita, quando cessa l'applicazione della forza, per ripristinare la forma iniziale del corpo. In un fluido ideale il processo di generazione del flusso viscoso è irreversibile, e l'energia cinetica assorbita nello sforzo di scorrimento viene dissipata sotto forma di calore.
Dal punto di vista reologico si considerano fluidi tutti i materiali omogenei o eterogenei, i quali, sotto l'azione di uno sforzo di scorrimento o taglio (“shear”), subiscono una deformazione viscoelastica parzialmente irreversibile: in pratica tutti i materiali pastosi o solidi all'aspetto, che non hanno una struttura cristallina definita.
Le misure di viscosità sono un punto di riferimento nella formulazione di molti materiali (lubrificanti, materie plastiche, vernici, cosmetici, prodotti alimentari, ecc.). Una volta determinata la correlazione tra i dati reologici e le caratteristiche funzionali del prodotto, i valori di viscosità vengono usati come indice di prestazione, come nel caso dei lubrificanti. Dalle relazioni tra la viscosità ed altre grandezze fisiche del materiale, si possono rivelare le modificazioni di altre proprietà, come la densità, la stabilità, il contenuto in solidi e il peso molecolare, contribuendo a migliorare la fabbricazione o l'uso del prodotto.
Il viscosimetro, o reometro, occupa un ruolo ben definito nel laboratorio tecnologico e di ricerca e deve essere in grado di determinare correttamente i valori di viscosità in fluidi reali, il cui comportamento reologico si discosta più o meno ampiamente dalle leggi ricavate per i fluidi ideali.
Le leggi della viscosità
Se si applica una forza tangenziale F sullo strato superiore del liquido, il suo avanzamento è frenato dall'attrito con lo strato sottostante. Questo strato è a sua volta trascinato, ma con velocità inferiore a causa dell'attrito generato dal terzo strato contiguo e così via, fino a raggiungere il piano di fondo, nel quale la velocità dello strato diventa pressoché nulla. All'equilibrio la forza d'attrito risulta uguale ad F. Per una differenza di velocità dv tra due strati laminari di uguale superficie S posti a distanza dh, F risulta proporzionale al gradiente della velocità di scorrimento g = dv/dh in direzione perpendicolare alla superficie S del liquido.
Chiamando sforzo di taglio (o di scorrimento) t la forza tangenziale sull'unità di superficie, t = F/S, si ha la legge di Newton:
t = h dv/dh = h g'
che è la legge fondamentale del flusso di un liquido ideale: h = t//g è la viscosità dinamica e rappresenta l'energia impiegata da una forza applicata su una superficie unitaria per generare uno spostamento unitario,
La viscosità cinematica n è il rapporto tra la viscosità dinamica e la densità del liquido r
n = h/r
e viene utilizzata nelle condizioni in cui il procedimento di misura è influenzato dalla densità del liquido (p. es. nei viscosimetri capillari)
I fattori principali che influenzano la viscosità sono:
a) la natura chimica del materiale e la sua massa molecolare;
b) la temperatura: nella maggioranza dei liquidi diminuisce al crescere della temperatura in modo esponenziale
h = A eB/T
(T = temperatura assoluta; A e B costanti del liquido);
c) la pressione: un aumento di pressione aumenta la resistenza al flusso viscoso; d) il gradiente di velocità e il tempo di applicazione dello sforzo;
e) la “storia reologica” del materiale: comportamento reologico del materiale nel tempo.
Unità di misura della viscosità
Sistema Internazionale (SI):
Sforzo di taglio t: Pascal ( Pa) = Newton/m2 (N/m2)
Gradiente di velocità g: m/s
Viscosità dinamica h: Pascal x secondo (Pa·s)
Millipascal x secondo (mPa·s) sottomultiplo più usato
Viscosità cinematica n: m2/s =104 Stokes
mm2/s sottomultiplo più usato
Sistema CGS
Sforzo di taglio t: dine /cm2
Gradiente di velocità g: cm / s
Viscosità dinamica h: Poise (P) = dine·s/cm2 = 1 Pa
Centipoise (cP) sottomultiplo più usato
Viscosità cinematica n Stokes (St) = 0,1 Pa·s
Centistokes (cSt) = 1 mPa·s
Misura di proprietà termomeccaniche
Alcuni sistemi reometrici combinano la viscosimetria con tecniche d'analisi termica meccanica dinamica (DMTA) per lo studio, oltre che delle caratteristiche reologiche dei fluidi di bassa e alta viscosità, di alcune proprietà meccaniche di solidi e film polimerici in funzione della temperatura. Un reometro (fig. 25), dotato di triplo microprocessore con software flessibile, usa un motore supportato su cuscinetti ad aria in grado di essere guidato in tre modi: sia come servomotore per misure di deformazioni (“strain”) controllate, come la crescita del rilassamento e dello sforzo (fig. 26A), sia per generare dati controllati di gradienti a velocità preimpostata, sia nel modo “open loop” per effettuare saggi di sforzi controllati, come le deformazioni sotto sforzo (“creep”) e il loro recupero a cessazione dello sforzo (“creep recovery”). Questo motore di bassa inerzia, a induzione senza magnete permanente, non è influenzato dai campi magnetici presenti nell'ambiente e ha un basso momento di rotazione, i cui cedimenti sono controbilanciati da trasduttori di rotazione, così che può sviluppare momenti torcenti da 0,1 mNm a 120 mNm. Questo ampio intervallo dinamico minimizza la necessità di cambiare i sensori di misura e consente sia di studiare le dispersioni viscoelastiche più debolmente strutturate, sia di seguire ampie variazioni del modulo elastico nelle transizioni dei materiali (fig. 26B). Un sensore di forza normale ad alta risoluzione con 0,1 g di sensibilità, incorporato nella meccanica del reometro per misurare sforzi perpendicolari applicati al campione, è valido a generare dati differenziali di primo stress normale anche a bassi valori di spinta (fig. 26C). In un campo di frequenze da 1mHz a 150 Hz si può usare questo sensore in oscillazione, per comprimere o esercitare una tensione sul campione con una forza predefinita (mode “autotension”). I due modi di misura permettono di simulare gli sforzi di taglio e i gradienti di velocità trovati in molte applicazioni industriali: patinatura della carta, verniciatura continua della carta, pittura a spruzzo, inchiostri per serigrafia. La cella DMTA, termoregolabile da -150 a 550°C, può misurare polimeri solidi in torsione per lo studio del loro comportamento alle forze torcenti.
Fonte: http://www.divini.net/chimica/materiali/chimicafisica/4CH_CF_05_06/varie_sulla_viscosita.doc
Sito web da visitare: http://www.divini.net/
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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