วิธีการวัดและรายงานความหนืดทั้งสองวิธี คือ จลนศาสตร์และสัมบูรณ์ (หรือที่เรียกว่าไดนามิก) มักทำให้เกิดความสับสนในใจของผู้ที่ไม่ได้ใช้เป็นประจำ ในคอลัมน์นี้ ผมจะอธิบายความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านี้และให้คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการนำไปใช้กับน้ำมันหล่อลื่น
ความหนืดสัมบูรณ์
ความหนืดสัมบูรณ์หมายถึงความต้านทานต่อแรงเฉือนของของไหล หรือความสามารถของของไหลในการต้านทานการเสียรูปเมื่อมีแรงกระทำ กล่าวง่ายๆ ก็คือ ยิ่งของเหลวมีความเข้มข้นมากเท่าใด พลังงานก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้นที่จะทำให้ของเหลวไหลได้ พูดอย่างเคร่งครัด ความหนืดจลนศาสตร์ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความหนืดสัมบูรณ์ต่อความหนาแน่น
ความหนาแน่นเป็นคุณสมบัติที่ได้มาจากมวล และเนื่องจากมวลและน้ำหนักมีไว้เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงที่ใดก็ได้บนพื้นผิวโลก ความหนืดจลนศาสตร์จึงมักถูกตีความว่าเป็นความต้านทานของของไหลที่จะไหลภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง
ฉันชอบคิดว่าความหนืดจลน์เป็นกรณีพิเศษของความหนืดสัมบูรณ์ แรงเฉือนที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงนั้นจริงๆ แล้วมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับแรงเฉือนที่เกิดจากปฏิกิริยาทางกลของส่วนประกอบของเครื่องจักร
เรามาอธิบายความแตกต่างนี้ด้วยตัวอย่างกัน สมมติว่าคุณมีขวดน้ำผึ้งและน้ำหนึ่งขวดวางอยู่บนโต๊ะทำงาน โหลถูกยึดไว้กับโต๊ะจึงเคลื่อนย้ายไม่ได้ หากคุณใส่ช้อนลงในขวดแต่ละใบและเริ่มคน คุณกำลังนำแรงเฉือนเข้าไปในของเหลว
โปรดทราบว่าแรงเหล่านี้ไม่ได้เกิดจากแรงโน้มถ่วง ดังนั้นสิ่งที่คุณทำคือการทดสอบความหนืดสัมบูรณ์ แน่นอนว่าของเหลวที่ต้านทานต่อการกวนได้ดีกว่าคือน้ำผึ้ง ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าความหนืดสัมบูรณ์ของน้ำผึ้งนั้นมากกว่าความหนืดสัมบูรณ์ของน้ำ ตอนนี้ให้นำขวดเหล่านั้นออกจากโต๊ะแล้วเททิ้ง
ของไหลทั้งหมดจะไหลออกจากถัง ในกรณีนี้แรงที่ทำให้เกิดการไหลจะเกิดขึ้นจากแรงโน้มถ่วง ดังนั้นเราจึงทำการทดสอบความหนืดจลนศาสตร์และนั่นแสดงให้เห็นว่าน้ำผึ้งมีความหนืดจลนศาสตร์มากกว่าน้ำ เนื่องจากมีความต้านทานต่อการไหลออกจากขวดมากกว่า
ความหนืดของของเหลว ไม่ว่าจะเป็นจลนศาสตร์หรือสัมบูรณ์ จะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่วัดได้ ดังนั้นจึงต้องรายงานอุณหภูมิที่ใช้วัดความหนืด
ความหนืดจลนศาสตร์
ตามคำจำกัดความที่เข้มงวดของสถานะการเคลื่อนที่ หากทราบความหนาแน่นของของไหล ความหนืดสัมบูรณ์และความหนืดจลนศาสตร์สามารถเปลี่ยนได้โดยตรง ความสัมพันธ์นี้สามารถแสดงเป็น:
ความหนืดสัมบูรณ์=ความหนืดจลนศาสตร์ x ความหนาแน่น
ต้องใช้หน่วย SI ที่เหมาะสมจึงจะใช้สูตรนี้ได้อย่างถูกต้อง
จนถึงตอนนี้ เราได้แสดงให้เห็นว่าการทดสอบความหนืดทั้งแบบสัมบูรณ์และแบบจลนศาสตร์พิสูจน์ได้ว่าน้ำผึ้งมีความหนืดมากกว่าน้ำ ลองดูอีกตัวอย่างหนึ่ง
ใช้ขวดโหลที่เหมือนกันสองใบติดกับโต๊ะ เติมน้ำผึ้งชิ้นหนึ่งและอีกขวดใส่มายองเนส ตอนนี้ให้ทำการทดสอบความหนืดสัมบูรณ์โดยการกวนของเหลว การทดสอบจะพบว่าน้ำผึ้งเป็นของเหลวที่มีความหนืดมากกว่า
พลิกขวดโหลแล้วทำการทดสอบความหนืดจลนศาสตร์ ซึ่งจะแสดงว่าตอนนี้มายองเนสเป็นของเหลวที่มีความหนืดมากขึ้น (น้ำผึ้งจะหมดเร็วกว่ามายองเนส) ประการแรกอะไรคือคำอธิบายสำหรับผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน และประการที่สอง ผลกระทบคืออะไร อย่างน้อยก็ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับน้ำมันหล่อลื่นในเครื่องจักร
ความแตกต่าง
เพื่ออธิบายผลลัพธ์ต่างๆ เราต้องเข้าใจคุณสมบัติของของไหลแบบนิวตัน หากคุณเชื่อมโยงความหนืดของของเหลวกับปริมาณแรงเฉือนที่เกิดขึ้น ของเหลวบางชนิดจะแสดงความหนืดที่ไม่ขึ้นกับปริมาณแรงเฉือนที่ใช้
สิ่งเหล่านี้เรียกว่าของเหลวของนิวตัน ซึ่งมีน้ำผึ้งเป็นตัวอย่างที่ดี การกระจายความหนืดของของเหลวบางชนิดจะเปลี่ยนไปตามปริมาณแรงเฉือนที่เกิดขึ้น สิ่งเหล่านี้เรียกว่าของเหลวที่ไม่ใช่ของนิวตัน โดยมีมายองเนสเป็นตัวอย่าง
ของไหลที่ไม่ใช่นิวตันจะมีความหนืดสูงเมื่ออัตราเฉือนต่ำ (การทดสอบความหนืดจลนศาสตร์) เช่นเดียวกับการทดสอบความหนืดสัมบูรณ์ ความหนืดของของไหลที่ไม่ใช่ของนิวตันจะลดลงเมื่อของไหลถูกเฉือนอย่างรุนแรงมากขึ้น
ทำไมมันถึงสำคัญ
แล้วมันหมายความว่าอย่างไรสำหรับสารหล่อลื่น?
1. น้ำมันหล่อลื่นส่วนใหญ่ (ดูข้อยกเว้นด้านล่าง) มีคุณสมบัติใกล้เคียงนิวตัน ดังนั้นไม่ว่าเราจะวัดความหนืดจลนศาสตร์หรือความหนืดสัมบูรณ์แล้วแนวโน้มก็ตาม ก็แทบไม่มีความแตกต่างกันมากนัก
2. น้ำมันที่มีคุณสมบัติที่ไม่ใช่แบบนิวตันมากกว่าคือ:
น้ำมันหล่อลื่นที่ได้รับการปรับปรุง (น้ำมันที่มีดัชนีความหนืดช่วยปรับปรุงสารเติมแต่ง)
น้ำมันเสื่อมโทรม
อิมัลชันน้ำมัน ซึ่งรวมถึงการปนเปื้อนปานกลางของของแข็งและ/หรือของเหลว และการกักเก็บอากาศ ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถผลิตอิมัลชันได้
3. เนื่องจากแรงเฉือนที่เกิดจากกลไกมากกว่าแรงโน้มถ่วง ส่งผลต่อการไหลของของเหลวหล่อลื่นในเครื่องจักร จึงสามารถโต้แย้งได้ว่าการทดสอบความหนืดสัมบูรณ์เป็นวิธีที่ดีกว่าในการพิจารณาความหนืด อย่างไรก็ตาม ยังยุติธรรมที่จะสรุปได้ว่าปัจจัยใดๆ ที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของความหนืดสัมบูรณ์อาจส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงของความหนืดจลน์ด้วย
ตราบใดที่เราวัดและแนวโน้มวิธีการวัดวิธีหนึ่ง (ด้วยความสามารถในการทำซ้ำที่เหมาะสม) เราก็ควรจะได้รูปแบบที่ดีในข้อมูล แม้ว่าเราจะทำการวัดความหนืดจลนศาสตร์และโดยสัญชาตญาณแล้วเรารู้โดยสัญชาตญาณว่าการวัดค่าดังกล่าวไม่ถูกต้องเท่าที่เครื่องจักรคำนึงถึง แต่การวัดดังกล่าวยังคงได้รับความนิยม ดังนั้นให้ยึดวิธีใดวิธีหนึ่ง เรื่องตลก: การทำผิดตลอดเวลาย่อมดีกว่าการถูกในบางครั้ง
4. ความหนืดจลนศาสตร์เป็นวิธีการทั่วไปในการวัดและรายงานความหนืดในการวิเคราะห์น้ำมันหล่อลื่นที่ใช้แล้ว อย่างน้อยก็เท่าที่ห้องปฏิบัติการเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้อง ตามที่กล่าวไว้ในย่อหน้าก่อนหน้า อาจไม่ใช่แนวทางที่ดีที่สุด แต่กลายเป็นแนวทางที่โดดเด่นเนื่องจากประวัติความเป็นมาและความสะดวกในการใช้งาน
5. ห้องปฏิบัติการเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จะใช้เครื่องวัดความหนืดอัตโนมัติเพื่อวัดความหนืดจลน์ เครื่องมือในห้องปฏิบัติการภาคสนามส่วนใหญ่จะวัดความหนืดสัมบูรณ์ แต่จะรายงานเป็นความหนืดจลน์โดยใช้สมมติฐานความหนาแน่นของของไหลและดำเนินการคำนวณที่เหมาะสม
โดยปกติจะไม่ใช่ปัญหาในการได้รับผลลัพธ์ตามแนวโน้ม แต่สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าการวัดความหนืดจะดำเนินการที่อุณหภูมิเดียวกันเสมอ ซึ่งอาจเป็นอุณหภูมิห้อง แต่ตรวจสอบให้แน่ใจเสมอว่าน้ำมันมีเวลาถึงอุณหภูมิห้องในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมสภาพอากาศก่อนทำการทดสอบ
และอย่าพยายามเปรียบเทียบผลห้องปฏิบัติการปิโตรเลียมเชิงพาณิชย์กับผลห้องปฏิบัติการภาคสนามอย่างใกล้ชิดเกินไป พวกเขาจะแตกต่างออกไป แต่นั่นเป็นเพราะพวกเขาวัดผลสิ่งต่าง ๆ ควรมีความสัมพันธ์กันบ้างแต่จะไม่เท่ากันทุกประการ
ความหนืดมักถือเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของน้ำมันหล่อลื่น ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องสามารถวัดและทำความเข้าใจได้ ฉันหวังว่านี่จะช่วยให้เข้าใจเรื่องนี้ได้ชัดเจนยิ่งขึ้น
