เครื่องวัดความหนืด (Viscometer) คืออะไร? หลักการทำงานและประเภทต่างๆ
สรุปใจความสำคัญ
- เครื่องวัดความหนืด (Viscometer) ใช้สำหรับวัดความต้านทานการไหลของของไหล
- ความแตกต่างระหว่าง Viscometer และ Rheometer คือ Viscometer วัดความหนืดที่คงที่ ส่วน Rheometer วัดความหนืดที่เปลี่ยนแปลงตามเงื่อนไขการไหล
- เครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแก้วแคพิลลารีใช้การวัดเวลาที่ของเหลวไหลผ่านหลอดแคบๆ เพื่อคำนวณความหนืดจลน์
- เครื่องวัดความหนืดแบบลูกบอลตกใช้กฎของสโตกส์ (Stokes' Law) ในการคำนวณค่าความหนืดจากความเร็วสุดท้ายของวัตถุทรงกลม
เครื่องวัดความหนืด (Viscometer หรือ Viscosimeter) คือเครื่องมือที่ใช้สำหรับวัดค่าความหนืด (Viscosity) ของของไหล ไม่ว่าจะเป็นของเหลวหรือก๊าซ โดยความหนืดคือความต้านทานต่อการไหลของของไหลนั้นๆ เครื่องวัดความหนืดส่วนใหญ่จะวัดค่าความหนืดที่คงที่ ซึ่งหมายถึงความหนืดที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเงื่อนไขการไหล สำหรับของเหลวที่มีความหนืดเปลี่ยนแปลงตามเงื่อนไขการไหล จะต้องใช้เครื่องมือที่เรียกว่า รีโอมิเตอร์ (Rheometer) ซึ่งถือเป็นเครื่องวัดความหนืดประเภทพิเศษ
หลักการทำงานทั่วไป
โดยทั่วไป การวัดความหนืดจะทำได้สองวิธีหลัก คือ การให้ของไหลอยู่นิ่งและให้วัตถุเคลื่อนที่ผ่านของไหลนั้น หรือ การให้วัตถุอยู่นิ่งและให้ของไหลเคลื่อนที่ผ่านวัตถุ แรงต้าน (Drag) ที่เกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างของไหลและพื้นผิวจะเป็นตัวบ่งชี้ค่าความหนืด โดยเงื่อนไขการไหลต้องมีค่าเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) ที่ต่ำเพียงพอเพื่อให้เกิดการไหลแบบราบเรียบ (Laminar flow)
ตัวอย่างค่าความหนืดของน้ำ
ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส น้ำมีความหนืดพลวัต (Dynamic viscosity) อยู่ที่ 1.0038 mPa·s และมีความหนืดจลน์ (Kinematic viscosity) อยู่ที่ 1.0022 mm²/s ซึ่งค่าเหล่านี้มักถูกนำมาใช้ในการปรับเทียบ (Calibrate) เครื่องวัดความหนืดบางประเภท
ประเภทของเครื่องวัดความหนืดในห้องปฏิบัติการ
1. เครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแก้วแคพิลลารี (U-tube Viscometers)
เครื่องมือชนิดนี้ หรือที่รู้จักกันในชื่อ เครื่องวัดความหนืดของออสต์วาลด์ (Ostwald Viscometer) หรือ เครื่องวัดความหนืดของอับเบโลห์เด (Ubbelohde Viscometer) มีลักษณะเป็นหลอดแก้วรูปตัว U ที่ติดตั้งในอ่างควบคุมอุณหภูมิ
- วิธีการทำงาน: ของเหลวจะถูกดูดขึ้นไปยังกระเปาะด้านบน จากนั้นจะปล่อยให้ไหลลงผ่านหลอดแคพิลลารี (Capillary) ซึ่งเป็นส่วนที่แคบมาก ลงสู่กระเปาะด้านล่าง
- การคำนวณ: เวลาที่ของเหลวใช้ในการไหลผ่านเครื่องหมายสองจุดที่กำหนดไว้จะเป็นสัดส่วนกับความหนืดจลน์ โดยการนำเวลาที่วัดได้คูณกับค่าปัจจัย (Conversion factor) ของเครื่องมือ จะได้ค่าความหนืดจลน์ของของเหลวนั้น
เครื่องวัดความหนืดประเภทนี้แบ่งออกเป็นแบบไหลตรง (Direct-flow) และแบบไหลย้อน (Reverse-flow) เพื่อให้สามารถวัดของเหลวที่มีความทึบแสงหรือของเหลวที่ทิ้งคราบได้ โดยไม่ให้คราบเหล่านั้นบดบังเครื่องหมายวัดเวลา
2. เครื่องวัดความหนืดแบบลูกบอลตก (Falling-sphere Viscometers)
เครื่องวัดความหนืดประเภทนี้ใช้หลักการของ กฎของสโตกส์ (Stokes' Law) โดยของไหลจะอยู่นิ่งในหลอดแก้วแนวตั้ง และปล่อยให้ลูกบอลที่มีขนาดและความหนาแน่นที่ทราบค่าแน่นอนตกลงผ่านของเหลว
เมื่อลูกบอลตกลงมาจนถึงความเร็วสุดท้าย (Terminal velocity) ซึ่งสามารถวัดได้จากเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่ผ่านจุดสองจุดบนหลอดแก้ว เราสามารถคำนวณหาค่าความหนืดของของไหลได้จากความเร็วสุดท้าย ขนาดและความหนาแน่นของลูกบอล รวมถึงความหนาแน่นของของเหลว
ตามกฎของสโตกส์ แรงเสียดทานที่กระทำต่อวัตถุทรงกลมขนาดเล็กในของไหลที่มีความหนืดจะคำนวณได้จากสูตร:
เมื่อลูกบอลตกภายใต้แรงโน้มถ่วงจนถึงความเร็วสุดท้าย (Settling velocity) จะเกิดสมดุลระหว่างแรงเสียดทาน แรงลอยตัว และแรงโน้มถ่วง ซึ่งคำนวณได้จากสูตร:
คำถามที่พบบ่อย
ความหนืดจลน์และความหนืดพลวัตแตกต่างกันอย่างไร?
ความหนืดพลวัต (Dynamic Viscosity) คือความต้านทานภายในของของไหลต่อการไหล ส่วนความหนืดจลน์ (Kinematic Viscosity) คือความหนืดพลวัตหารด้วยความหนาแน่นของของไหลนั้นๆ
ทำไมต้องควบคุมอุณหภูมิขณะวัดความหนืด?
เพราะอุณหภูมิมีผลอย่างมากต่อความหนืด โดยทั่วไปของเหลวจะมีความหนืดลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนก๊าซจะมีความหนืดเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
เมื่อไหร่ควรใช้เครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแก้วแคพิลลารี?
เมื่อต้องการวัดความหนืดจลน์ของของเหลวที่มีความใสและมีปริมาณตัวอย่างน้อย โดยเป็นของเหลวที่มีคุณสมบัติแบบนิวโทเนียน (Newtonian fluids)