Viskozita

Rozbalit box

Obsah boxu

Viskozita (z latinského viscum – jmelí, v přeneseném smyslu lepivost) je fyzikální veličina, která udává míru vnitřního tření v tekutinách (kapalinách a plynech). Je to vlastnost, která popisuje odpor tekutiny proti tečení nebo deformaci smykovým napětím. Jednoduše řečeno, viskozita určuje, jak "hustá" nebo "tekutá" je daná látka. Například med má vysokou viskozitu, zatímco voda má viskozitu nízkou.

Viskozita je klíčovou vlastností v oboru zvaném reologie, který se zabývá deformací a tokem materiálů. Rozlišují se dva hlavní typy viskozity: dynamická viskozita a kinematická viskozita.

📜 Historie a původ pojmu

Koncept viskozity jako odporu proti toku byl implicitně znám po staletí, ale jeho formální vědecké zkoumání začalo až v novověku. Klíčovou postavou byl Sir Isaac Newton, který v roce 1687 ve svém díle Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica položil základy pro popis chování tekutin. Formuloval hypotézu, že smykové napětí mezi sousedními vrstvami tekutiny je přímo úměrné gradientu rychlosti. Tekutiny, které se řídí tímto pravidlem, se dnes nazývají newtonské tekutiny.

V 19. století na Newtonovu práci navázali další vědci. Jean Léonard Marie Poiseuille experimentálně zkoumal tok krve v kapilárách a formuloval zákon popisující laminární proudění v trubicích, dnes známý jako Hagen-Poiseuillův zákon. Na jeho počest byla pojmenována starší jednotka dynamické viskozity, poise. Současně George Gabriel Stokes odvodil rovnici pro sílu působící na kouli pohybující se v tekutině (Stokesův zákon), která je také přímo závislá na viskozitě. Společně s Navierem zformuloval Navierovy-Stokesovy rovnice, které jsou základem moderní mechaniky tekutin.

🧪 Definice a typy viskozity

Viskozita se projevuje jako odpor, který klade jedna vrstva tekutiny pohybu druhé vrstvy. Tento odpor je způsoben kohezními silami mezi molekulami v kapalinách a srážkami molekul v plynech.

Dynamická viskozita (η)

Dynamická viskozita, často označovaná jako absolutní viskozita, je základní mírou vnitřního tření. Představme si dvě rovnoběžné desky, mezi nimiž je vrstva tekutiny o tloušťce h. Pokud se horní deska pohybuje rychlostí v vzhledem ke spodní nehybné desce, vzniká v tekutině smykové napětí (τ). Dynamická viskozita (η) je definována jako poměr tohoto smykového napětí a gradientu rychlosti (smykové rychlosti, γ̇):

$\eta =\frac{\tau }{\dot{\gamma }}=\frac{F/A}{dv/dh}$

kde:

• η je dynamická viskozita
• τ je smykové napětí (síla F na plochu A)
• γ̇ = dv/dh je gradient rychlosti (změna rychlosti v se změnou výšky h)

Základní jednotkou soustavy SI je pascal-sekunda (Pa·s). Starší, ale stále hojně používanou jednotkou v systému CGS je poise (P), přičemž platí:

1 Pa·s = 10 P

1 mPa·s = 1 cP (centipoise)

Viskozita čisté vody při 20 °C je přibližně 1 cP, což činí tuto jednotku velmi praktickou.

Kinematická viskozita (ν)

Kinematická viskozita je definována jako poměr dynamické viskozity a hustoty (ρ) tekutiny:

$\nu =\frac{\eta }{\rho }$

Tato veličina popisuje, jak snadno tekutina teče pod vlivem gravitace. Je mírou "difuze hybnosti". Dvě kapaliny se stejnou dynamickou viskozitou mohou mít různou kinematickou viskozitu, pokud se liší jejich hustoty.

Základní jednotkou SI je metr čtvereční za sekundu (m²/s). V praxi se často používá jednotka systému CGS, stokes (St), a její setina, centistokes (cSt):

1 m²/s = 10 000 St

1 mm²/s = 1 cSt

🌡️ Faktory ovlivňující viskozitu

Viskozita není konstantní vlastností látky; závisí na několika faktorech, především na teplotě a tlaku.

Teplota

Vliv teploty na viskozitu je u kapalin a plynů opačný:

• Kapaliny: S rostoucí teplotou viskozita kapalin klesá. Vyšší teplota dodává molekulám více kinetické energie, což jim umožňuje snadněji překonávat mezimolekulární síly (kohezi), které jsou hlavní příčinou viskozity. Proto je horký med mnohem tekutější než studený.
• Plyny: S rostoucí teplotou viskozita plynů roste. U plynů je viskozita způsobena především výměnou hybnosti mezi molekulami při jejich srážkách. Při vyšší teplotě se molekuly pohybují rychleji, srážejí se častěji a intenzivněji, což vede k většímu vnitřnímu tření a tedy vyšší viskozitě.

Tlak

Vliv tlaku na viskozitu je obecně menší než vliv teploty, ale není zanedbatelný, zejména u kapalin pod vysokým tlakem (např. v hydraulických systémech nebo v zemském plášti).

• Kapaliny: U většiny kapalin viskozita s rostoucím tlakem mírně roste, protože se molekuly dostávají blíže k sobě a mezimolekulární síly se zesilují.
• Plyny: Viskozita plynů je za běžných podmínek na tlaku téměř nezávislá.

Složení a molekulární struktura

Viskozita silně závisí na velikosti, tvaru a interakcích molekul.

• Velikost molekul: Látky s většími a složitějšími molekulami (např. polymery, oleje) mají tendenci mít vyšší viskozitu, protože se molekuly do sebe snadněji "zamotávají".
• Mezimolekulární síly: Silné mezimolekulární síly, jako jsou vodíkové můstky (např. ve vodě nebo glycerolu), vedou k vyšší viskozitě.

🌊 Klasifikace tekutin

Podle chování viskozity v závislosti na smykovém napětí se tekutiny dělí na dvě hlavní skupiny.

Newtonské tekutiny

Newtonské tekutiny se řídí Newtonovým zákonem viskozity, což znamená, že jejich viskozita je konstantní a nezávisí na velikosti smykové rychlosti. Vztah mezi smykovým napětím a smykovou rychlostí je lineární.

• Příklady: voda, vzduch, ethanol, glycerol, jednoduché uhlovodíky (např. motorové oleje za konstantní teploty).

Nenewtonské tekutiny

U nenewtonských tekutin je viskozita proměnlivá a závisí na smykové rychlosti nebo na době působení smykového napětí. Jejich chování je složitější a dělí se na několik typů:

• Pseudoplastické (ředící se smykem): Viskozita klesá s rostoucí smykovou rychlostí. Čím rychleji se tekutina míchá nebo protlačuje, tím je "tekutější". Toto je nejběžnější typ nenewtonského chování.
  • Příklady:** kečup, krev, nátěrové barvy, šampon, roztoky polymerů.
• Dilatantní (houstnoucí smykem): Viskozita roste s rostoucí smykovou rychlostí. Při pomalém míchání se chovají jako kapaliny, ale při prudkém nárazu ztuhnou.
  • Příklady:** suspenze kukuřičného škrobu ve vodě (tzv. "oobleck"), písek nasycený vodou.
• Tixotropní: Viskozita klesá s dobou, po kterou je tekutina vystavena konstantnímu smykovému napětí. Po odstranění napětí se struktura a původní viskozita postupně obnovuje.
  • Příklady:** jogurt, med, některé gely a barvy.
• Reopektické: Vzácnější chování, kdy viskozita s dobou působení konstantního smykového napětí roste.
  • Příklady:** některé suspenze sádry, tiskařské barvy.
• Binghamovské plasty: Chovají se jako pevné látky, dokud smykové napětí nepřekročí určitou mez (mez toku). Poté začnou téct, často jako newtonské tekutiny.
  • Příklady:** zubní pasta, majonéza, bahno.

🔬 Měření viskozity

Přístroje pro měření viskozity se nazývají viskozimetry. Existuje mnoho různých typů, které pracují na odlišných principech:

• Kapilární viskozimetry: Měří dobu, za kterou daný objem kapaliny proteče úzkou kapilárou. Výpočet je založen na Hagen-Poiseuillově zákoně. Příkladem je Ostwaldův nebo Ubbelohdeho viskozimetr. Jsou vhodné pro měření nízkoviskózních newtonských kapalin.
• Rotační viskozimetry: Měří točivý moment potřebný k otáčení vřetene (rotoru) ponořeného do vzorku konstantní rychlostí. Jsou velmi univerzální a umožňují měřit i nenewtonské tekutiny a studovat závislost viskozity na smykové rychlosti. Příkladem je Brookfieldův viskozimetr.
• Viskozimetry s padající kuličkou: Měří dobu, za kterou kulička o známé hustotě a rozměrech propadne kapalinou. Výpočet je založen na Stokesově zákoně. Příkladem je Höpplerův viskozimetr.
• Vibrační viskozimetry: Měří útlum oscilátoru ponořeného do kapaliny. Jsou robustní a vhodné pro průmyslové online měření.

⚙️ Praktický význam a aplikace

Viskozita je klíčový parametr v mnoha vědeckých, průmyslových i každodenních situacích:

• Průmysl maziv: Viskozita motorových olejů je kritická pro správné mazání motoru. Musí být dostatečně nízká, aby olej cirkuloval, ale zároveň dostatečně vysoká, aby vytvořil ochranný film. Viskozitní index popisuje, jak se viskozita oleje mění s teplotou.
• Potravinářský průmysl: Viskozita ovlivňuje texturu, pocit v ústech a zpracovatelnost potravin jako čokoláda, med, omáčky nebo mléko.
• Chemický a farmaceutický průmysl: Kontrola viskozity je důležitá při výrobě barev, laků, lepidel, kosmetiky (krémy, gely) a léků (sirupy, masti).
• Geofyzika: Viskozita magmatu určuje typ sopečné erupce (nízkoviskózní láva teče rychle a daleko, vysokoviskózní tvoří explozivní sopky). Viskozita zemského pláště je zodpovědná za pohyb tektonických desek.
• Medicína: Viskozita krve ovlivňuje krevní oběh a zátěž srdce. Změny viskozity mohou signalizovat různá onemocnění. Synoviální tekutina v kloubech má nenewtonské vlastnosti, které zajišťují mazání při pohybu.
• Doprava: Viskozita vzduchu a vody způsobuje aerodynamický odpor a hydrodynamický odpor, který musí překonávat letadla, automobily a lodě.

📊 Příklady viskozity

Následující tabulka uvádí přibližné hodnoty dynamické viskozity pro různé látky při pokojové teplotě (cca 20 °C), pokud není uvedeno jinak.

Přibližné hodnoty dynamické viskozity (η)

Látka	Viskozita (v mPa·s nebo cP)	Poznámka
Vzduch	0,018	Velmi nízká
Aceton	0,3
Voda	1,0	Referenční hodnota
Krev	3–4	Nenewtonská, závisí na podmínkách
Olivový olej	80
Glycerol	1 400	Silné vodíkové můstky
Med	2 000 – 10 000	Silně závisí na obsahu vody a teplotě
Kečup	50 000 – 100 000	Nenewtonský (pseudoplastický)
Asfalt ( bitumen)	10 000 000 000	Při pokojové teplotě se jeví jako pevná látka
Zemský plášť	10²¹ – 10²⁴ Pa·s	Extrémně vysoká, umožňuje konvekci v geologickém čase

🤔 Pro laiky

Viskozitu si lze nejlépe představit jako "odpor proti tečení" nebo "vnitřní tření" tekutiny.

• Voda vs. med: Když naléváte vodu, teče snadno a rychle – má nízkou viskozitu. Když naléváte med, teče pomalu a líně – má vysokou viskozitu. Je to proto, že molekuly medu se o sebe "třou" mnohem více než molekuly vody.
• Míchání: Míchat lžičkou ve vodě je snadné. Míchat ve studeném medu je velmi obtížné. Síla, kterou musíte vynaložit, je přímým důsledkem vysoké viskozity medu.
• Kečupový efekt: Kečup je příkladem nenewtonské tekutiny. V klidu v láhvi je velmi viskózní a nechce téct. Když s lahví zatřesete nebo ji poklepete (dodáte jí energii, tedy smykové napětí), jeho viskozita prudce klesne a začne téct snadno. Tomuto chování se říká "ředění smykem".
• Viskozita není hustota: Je důležité nezaměňovat viskozitu s hustotou. Hustota je hmotnost na jednotku objemu (jak je něco "těžké"). Olej má nižší hustotu než voda (plave na ní), ale má mnohem vyšší viskozitu (je "mazlavější" a teče pomaleji).

Šablona:Aktualizováno