점도에 대해서
유체, 예를 들어 물, 기름, 공기 등은 말 그대로 흐르는 물질입니다.
다시 말해 높은 곳에서 낮은 곳으로 모양을 자유롭게 바꾸면서 자연스럽게 옮겨가는 성질을 지녔습니다.
또 '물은 그릇에 따른다'고 하듯이 유체에는 일정한 형태가 없습니다.
빠르든 느리든 간에 모든 형상으로 변화합니다.
다음으로 세면기에 물을 넣고 빙빙 저은 것을 생각해 보시기 바랍니다.
잠시 물은 계속 돌고 있습니다만, 점차 회전이 늦어지고 마침내 멈춰 버립니다.
여기서 물 대신 기름을 쓰면 어떻게 될까요?
물과 비교했을 때 훨씬 더 짧은 시간에 멈출 것입니다.
마요네즈에 이르러서는 회전시키는 것조차 불가능할 겁니다.
이상과 같이 형상 변화의 속도나 회전이 멈출 때까지의 시간 차이를 일으키는 성질을 점성이라고 하며, 이 크기를 나타내는 값을 점도라고 합니다.
따라서 점도란 '흐르기 쉬움을 나타내는 값'이라고 할 수 있습니다.
점도의 단위
점도라는 개념이 있는 이상 수치로 정량적으로 나타낼 필요가 있습니다.
거기서 점성에 의한 힘의 관계를 나타내는 것이 "점성에 관한 뉴턴의 법칙"입니다.
간단히 말하면, 점도가 큰 유체일수록 점성에 의한 힘이 강하다는 극히 당연한 것을 나타내고 있으며, 점도계는 이 법칙을 바탕으로 만들어져 있습니다.
그러나 자연계에는 역시 법칙에 따르지 않는 유체가 있는 것으로, 이 법칙을 따르는 유체를 "뉴턴 유체", 따르지 않는 것을 "비뉴턴 유체"라고 부르고 있습니다.
비뉴턴 유체에는 페인트 등 비교적 고점도 액체가 많이 포함됩니다.
점도 μ(뮤)의 단위는 Pa·s(파스칼초)로 표시됩니다.
CGS 단위계의 P(포아즈), CP(센티포아즈)와의 관계는
1P = 0.1Pa·s
1CP = 0.01P = 0.001Pa·s = 1mPa·s 입니다.
정량 펌프 업계에서는 보통 mPa·s를 사용합니다.
단, 고점도액에서는 Pa·s 값이 사용될 수 있으므로 압력손실 등을 계산할 때는 주의가 필요합니다.
동점도
배관의 압력 손실을 계산할 때 필요한 점도량입니다.
점도μ의 값을 밀도(비중량) ((나)로 나눈 것으로 보통 이를 ν(뉴)로 나타냅니다.
이 V 를 동점도라고 부르며
단위 설명ν: 동점도[m2/s 제곱미터 매초]μ: 점도[mPa·s밀리파스칼초] 1mPa·s = 10-3Pa·sρ: 밀도[kg/m3 킬로그램당 세제곱미터]
CGS 단위계의 St(스토크스), cSt(센티스토크스)와의 관계는
1St = 0.0001m2/s
1cSt = 0.01St = 0.000001m2/s
입니다.
점도 측정
일반적으로 회전법에 따라 점도를 측정합니다.
이는 원통 또는 원반을 유체 속에서 회전시켜 토크를 측정하고 점도로 환산하는 방법입니다.
브룩필드회전점도계(예를 들면 도쿄계기, B형점도계)가 그 예입니다.
그림과 같이 시료 안에 넣은 원통을 모터로 회전시키면 눈금반은 모터와 함께 회전합니다.
여기서 원통에는 스프링을 통해 회전이 전달되기 때문에 점도에 의한 힘에 상응하는 각도만큼 눈금반의 회전보다 늦게 원통이 돌아갑니다.
이 지연각은 유체의 점성력에 비례하기 때문에 각도를 측정함으로써 점도가 요구되는 것입니다.
세관 내의 흐름에는 관축에 평행상인 경우(층류)와 흐트러지는 경우(난류)가 있습니다.
일반적으로 유속이 느린 경우는 층류로, 빨라지면 난류가 됩니다만, 유속뿐만 아니라 관내경이나 유체의 밀도, 점도에도 관계하는 것으로 알려져 있습니다.그
리고 이 관계를 다음과 같이 이끈 사람이 레이놀즈라는 학자입니다.
Re:레이놀즈수[무차원...단위없음]v: 관내 유속[m/s]d: 관내경[m]
상식으로 계산된 Re의 값이 약 2000(옳게는 2320)보다 작으면 층류이고, 크면 난류가 됩니다.
이렇게 레이놀즈 수를 사용하면 층류인지 난류인지 구분할 수 있으므로 편리합니다.
쉽게 점도를 측정할 수 있다는 이유로 공장 현장에서는 특수한 점도계를 사용하고 있습니다.
세이볼트 점도계, 레드우드 점도계, 엥글러 점도계 등으로 다음과 같은 측정 방법을 채택하고 있습니다.
용기 바닥부의 짧은 세관 또는 올리후이스(세공)를 통해 시료를 유출시킨다.
또는 플라스크 내에 일정 부피의 시료가 유입되는데 필요한 시간을 측정하여 점도를 구한다.
단위로서 세이볼트 및 레드우드는 "초", 엥글러는 "도"로 나타냅니다.다음으로 이들 점도와 동점도의 관계를 나타냅니다.
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