Công thức tính độ nhớt của chất lỏng là gì?

Độ nhớt là một đại lượng vật lý quan trọng của chất lỏng, phục vụ cho việc nghiên cứu về động học và sự chuyển động của chất lỏng trong các hệ thống. Độ nhớt sẽ cho biết khả năng chất lỏng chống lại sự trượt, trôi và chảy. Để đo được giá trị này thì bạn phải nắm được công thức tính độ nhớt của chất lỏng ngay tại bài viết dưới đây.

Khái niệm độ nhớt của chất lỏng là gì?

Độ nhớt của chất lỏng là một đặc tính nổi bật của chất lỏng, có liên quan mật thiết với lực ma sát nội tại nhằm cản lại sự di động tương đối của các lớp phân tử có trong chất lỏng đó.

Độ nhớt còn có tên gọi khác là độ nhớt động lực hay độ nhớt tuyệt đối, có ký hiệu là η. Độ nhớt chất lỏng thay đổi rõ rệt khi nhiệt độ thay đổi. Nếu nhiệt độ tăng lên thì độ nhớt giảm đi và ngược lại. Chính vì thế nên khi cần xác định độ nhất của chất lỏng phải đảm bảo trong nhiệt độ nhất định, dao động không quá ± 0,1 °C.

Độ nhớt có phương pháp đo như thế nào?

Trước khi tìm hiểu về công thức tính độ nhớt của chất lỏng thì bạn cần biết về 3 phương pháp chính để xác định độ nhớt của chất lỏng như sau:

Phương pháp 1: Đo thời gian chảy của chất lỏng qua ống mao quản

Có nhiều nhớt kế mao quản với các kích thước khác nhau để thích hợp cho việc xác định độ nhớt của những chất lỏng khác nhau. Mỗi loại nhớt kế sẽ có một hằng số dụng cụ (k) riêng. Trong đó, nhớt kế Ostwald thường hay được sử dụng nhất.

Cách xác định độ nhớt bằng nhớt kế Ostwald

Sử dụng pipet dài để chuyển qua miệng ống B một chất lỏng cần xác định. Đảm bảo rằng độ nhớt đã được ổn định nhiệt độ ở 20 °C ± 0,1 °C rồi cho vào bầu chứa V. Đặt nhớt kế thẳng đứng và chìm hết bầu V trong thời gian 30 phút.

Sau đó, dùng quả bóp cao su thổi từ miệng ống B để chất lỏng dâng lên quá ngấn chuẩn a thì ngừng bơm. Bỏ quả bóp cao su khỏi miệng ống B để chất lỏng đem thử chảy tự do về bầu V. Ghi thời gian cần thiết để vòng khum dưới của chất lỏng đem thử chuyển dịch từ ngấn a đến ngấn b.

Làm như vậy 5 lần, lấy trung bình cộng của các kết quả đo được làm thời gian t cần xác định. Sai số các kết quả đo không vượt quá 0,5 %. Để đỡ mắc sai số lớn, cần chọn nhớt kế thích hợp sao cho thời gian t không được dưới 200 s. 

Công thức tính độ nhớt của chất lỏng I

Tính độ nhớt lực học η hoặc độ nhớt động học v lần lượt theo công thức sau:

η = k x p x t

V = k x t

Trong đó:

• η là độ nhớt động lực (mPas hoặc cP)
• v là độ nhớt động học (mm2/s hoặc cSt)
• K là hằng số dụng cụ đo
• p là khối lượng riêng của chất lỏng đem thử (g/cm3)
• t là thời gian chảy (s).

Phương pháp 2: Đo thời gian rơi của trái cầu

Phương pháp này thích hợp cho các chất lỏng trong suốt và có độ nhớt cao (từ 8 poise đến 1000 poise). Dụng cụ có thể sử dụng nhớt kế Hoppler. Thao tác đo như sau:

Đổ chất lỏng cần xác định độ nhớt vào ống thử a sao cho mực chất lỏng cao hơn đầu dưới của ống d 3 cm. Đặt các viên bi vào một ống thử nghiệm nhỏ lồng qua lỗ đặt phễu g. Giữ chất lỏng cần thử và các viên bi trong môi trường điều nhiệt có nhiệt độ ở 20 °C ± 0,1 °C trong 30 min (trừ khi có chỉ dẫn khác).

Sau đó thả từng viên bi vào trong chất lỏng đem thử qua ống d. Ghi thời gian rơi của 5 viên bi từ ngấn thứ hai đến ngấn thứ năm (15 cm). Lấy trung bình cộng của 5 lần đo này làm thời gian t cần xác định. 

Công thức tính độ nhớt của chất lỏng (độ nhớt động lực) 

η = k x t(px – p)

Trong đó:

• η là độ nhớt động lực (mPas hoặc cP)
• k là hằng số dụng cụ đo
• px là khối lượng riêng của viên bi (g.cm3)
• p là khối lượng riêng của chất lỏng đem thử (g/cm3)
• t là thời gian rơi của viên bi (s).

Phương pháp 3: Sử dụng nhớt kế quay

Bạn sẽ tiến hành đo lực trượt trong môi trường lỏng được đặt giữa hai ống hình trụ đồng trục. Một ống được quay nhờ mô tơ còn ống kia quay được do sự quay của ống thứ nhất tác động vào.

Dưới những điều kiện như vậy, độ nhớt chính là phép đo (M) độ lệch của góc đối với ống hình trụ thứ 2, tương ứng với momen lực, biểu thị bằng N-in. Đối với lớp chất lỏng rất mỏng, độ nhớt động lực η, biểu thị bằng Pa-S được tính theo công thức: η = k ( M/ω).

Tìm hiểu về công thức tính độ nhớt của chất lỏng

Phần trên là 3 phương thức xác định độ nhớt của chất lỏng với từng công thức riêng. Tuy nhiên, công thức tính độ nhớt của chất lỏng phổ biến nhất hiện nay là công thức vi ba. Nó được đặt theo tên của nhà vật lý người Pháp Jean Léonard Marie Poiseuille và nhà toán học người Thụy Sĩ Daniel Bernoulli. Công thức này được sử dụng để tính toán lưu lượng chất lỏng chảy qua một ống dẫn hoặc đường ống.

η = (F/A) × (L/V)

Trong đó:

η: độ nhớt của chất lỏng, đơn vị là poise hoặc centipoise (cP).

F: lực kéo (đơn vị là dyne hoặc Newton).

A: diện tích tiết diện của ống, đơn vị là cm2.

L: chiều dài của ống, đơn vị là cm.

V: vận tốc chất lỏng chảy qua ống, đơn vị là cm/s.

Ý nghĩa của công thức tính độ nhớt của chất lỏng

Công thức này cho phép tính toán được độ nhớt của chất lỏng dựa trên lực kéo, diện tích tiết diện và chiều dài của ống, vận tốc chất lỏng chảy qua ống. Hiện nay, đây là công thức được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng thực tế: ngành công nghiệp dầu khí, hóa chất và y tế.

Bảng tra độ nhớt của chất lỏng

Nhằm giúp bạn hiểu rõ hơn về độ nhớt của từng loại chất lỏng thì sẽ có bảng giá trị sau đây. Nó được tính bằng đơn vị poise hoặc centipoise (cP):

Lưu ý

Chỉ số độ nhớt của chất lỏng có thể thay đổi tùy thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ, áp suất, hàm lượng chất rắn và hóa chất làm tan trong chất lỏng. Vì thế nên bảng trên chỉ mang tính chất tham khảo.

Ngoài ra, chỉ số độ nhớt của chất lượng còn phù thuộc vào loại máy đo độ nhớt mà bạn sử dụng. Mỗi dòng máy có thể sử dụng các đơn vị đo khác nhau như: centipoise (cP), millipascal-second (mPa.s), poise (P) hoặc kilogram per meter-second (kg/m.s).

Áp dụng công thức tính độ nhớt của chất lỏng cho ứng dụng nào?

Hiện nay, đây là một công cụ quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế như sau:

Thiết kế các thiết bị chuyển động (động cơ, bơm, van, máy kéo…)

Độ nhớt của chất lỏng là một thông số quan trọng để đảm bảo hoạt động của các thiết bị này được hiệu quả. Dựa vào công thức tính độ nhớt của chất lỏng, bạn có thể ước tính lực ma sát giữa các bề mặt chuyển động trong thiết bị. Từ đó có thể đánh giá tính hiệu quả và tuổi thọ của thiết bị một cách chính xác.

Kiểm soát chất lượng sản phẩm

Ứng dụng công thức này là một trong những yếu tố để kiểm soát chất lượng sản phẩm, đảm bảo tính đồng nhất của sản phẩm.

Ứng dụng công thức tính độ nhớt của chất lỏng cho nghiên cứu khoa học

Công thức này đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, giúp đánh giá tính chất vật lý của các chất lỏng. Đồng thời còn giúp xác định sự ảnh hưởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến độ nhớt của chất lỏng.

Ứng dụng công thức tính độ nhớt của chất lỏng trong lĩnh vực y tế

Trong y tế, độ nhớt của chất lỏng (như máu) được đo để chẩn đoán và điều trị các bệnh lý liên về tim mạch và đột quỵ. Từ đó đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến độ nhớt của máu.

Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp đo lường độ nhớt cũng được nâng cao. Nhờ đó việc nghiên cứu các tính chất vật lý của chất lỏng trở nên đơn giản và hiệu quả hơn. Có thể thấy, việc tính toán độ nhớt là hoạt động quan trọng trong việc nghiên cứu các tính chất vật lý, động học của chất lỏng. Nhờ công thức tính độ nhớt của chất lỏng mà bạn có thể hiểu rõ hơn về khả năng chịu lực, khả năng chuyển động của nó. Từ đó biết được ứng dụng của độ nhớt chất lỏng trong các ngành công nghiệp như dầu khí, hóa chất, thực phẩm và y tế.