관계 지식

점도

점도(Viscosity)는 유체의 끈끈한 정도를 나타내는 물리적 단위, 전단응력(shear strees)와 전단율(shear rate)의 비율로 표현되며, 외부에서 가해지는 힘(스트레스)에 저항하는 정도를 말한다.

막대기로 점도가 서로 다른 유체를 휘젓는 것으로 그 저항(점도)을 비유할 수 있다.

점도는 역학점도(dynamic viscosity) 또는 절대점도(absolute viscosity)라고 부르기도 하는데 이는 동점도(kinematic viscosity)라는 정의가 서로 다른 용어와 구분하기 위한 것이다

동점도는 점도를 그 유체의 밀도(density)로 나누어주는 정의를 따른다. 즉 동점도 = 역학점도/밀도

이는 점도(절대점도, 역학점도)가 흐르는 유동상태에서 그 물질의 운동 방향에 거슬려 저항하는 끈끈한 정도를 절대적 크기로 나타낸다. 그러나 동점도는 얼마나 유동성의 좋은가 즉 잘 흐를 수 있는 정도를 나타내는 상대적 지표가 된다. 동점도가 작을수록 잘 흐르게 된다.

점도가 같으나 밀도가 서로 다른 두 가지 유체가 있다고 할 때 일반적인 점도(절대점도)를 측정하는 회전형 점도계로 재면 당연히 같은 점도를 나타낸다. 그러나 원형관을 흐르는 방식, 즉 유동성(fluidity)를 이용하는 측정 방식인 유리세관형 점도계에서 서로 다른 동점도를 얻게 되는데 이는 정의상 당연한 것이지만 밀도가 큰 유체가 모멘텀이 크니 상대적으로 같은 정도로 받는 점성저항(점도는 같으므로)을 더 이기기가 쉽기 때문이다. 즉 동점도가 작은 유체가 더 잘 수송되고 또 다루기가 쉽다.

점도(절대 점도, 역학점도)의 단위는 흔히 정의를 최초로 한 프랑스 과학자 Poiseille의 이름 첫 글자를 따서 P(포아즈(불어), 포이즈(영어))로 부르고 단위는 g/cm․s 이다. 흔히 이 값이 실제 사용하는 유체를 표현하기는 크기 때문에 100분의 1로 줄여 cP로 많이 쓴다. 물의 경우 20℃에서 약 1cP가 된다.

동점도는 밀도([eqn: rm g/cm ^{3}])로 나눈 것이니 단위는 [eqn: rm cm ^{2} /s]가 되며 통칭 영국의 유체학자인 Stockes의 첫글자를 따서 St로 쓴다. 이것도 큰 값이므로 쓰기 편하게 100분의 1값으로 cSt(S는 대문자)로 주로 사용된다.(물의 경우 20℃에서 약 1cSt)

학술계에서는 국제 단위계(Systeme Internation, 불어)를 쓰도록 하고 있고 이 SI 단위계에 따르면 각각의 단위는 다음과 같다.

1cP = 0.01P = 0.001Pa․s = 1mPa․s

1cSt = 0.01St = 0.000001[eqn: rm m ^{2} /s] = 1 [eqn: rm mm^2 / s]

점도를 동점도로 또는 그 반대로 환산할 때 필히 같은 온도를 명기해야 하고 밀도도 그 온도에서 측정해야 한다.

점도계의 종류

모세관 점도계(Capillary viscometer)

모세관 속의 유동에 관한 ＜푸아죄유의 법칙＞에 기초를 둔 것으로, 어떤 인위적인 압력 또는 중력을 통한 자연적인 압력을 시료에 작용하게하여 모세관을 통해 액체를 밀어내어 그 유출액량과 압력의 관계로부터 점성도를 구하는 것이다. 모세관점성도계중에서 가장 일반적인 것은 독일의 F.W. 오스트발트가 고안한 오스트발트 점성도계인데, 이는 유리로 만든 U자관으로 B부분이 모세관이다.  모세관 점도계로 유입시킨 시료를 다른쪽 끝에서 체적이 알려진 시료 저장부를 통과하게  빨아올려  시료 저장부 상단 위를 채운 다음 저절로 흘러 내리게 한다.

액면이 시료 저장부 상단 표선 a와 b 를 통과하는 시간을  측정하고 같은 부피의 표준액이 흘러 내려가는 시간을 구하여 액체의 점도를 결정한다.

(a)     (b)       (c)

그림  모세관형 점도계

(a) 오스트발트 점도계(Ostwald)

(b) 우베르도 점도계(Ubbelohde)

(c) 캐넌펜스케(Cannon fenske)

석유 산업에서 사용되는 엥글러도는 200cm3의 액체가 엥글러 점도계를 통과하는 시간(초)을 20℃에서 같은 부피의 물이 통과하는 시간(초)으로 나눈 값으로 나타낸다.

1엥글러도는 0.1 St(stokes:운동 점성률의 단위)에 해당한다.  엥글러 점도계는 독일공업규격(DIN)에 따라 규정되어, 세이볼트점도계 ·레드우드점도계와 함께 석유공업에서 사용되고 있다.

낙구 점도계(Falling-ball viscometer)

그림  낙구형 점도계

점성유체 속의 구의 운동에 관한 스토크스의 법칙에 기초를 둔 것으로, 정지 액체 속에 구를 낙하시켜서 일정한 속도에 도달하면 일정한 거리와  낙하하는 시간을  측정하여 액체의 점성을 구한다. 더욱 정확하게 하려면 용기의 크기에 대한 보정이 필요하다.

회전 점도계(Rotational viscometer)

그림  회전형 점도계

2개의 동심 원통 사이에 액체를 넣고, 외부 원통을 회전시켜 액체의 점성에 의해 내부 원통이 받는 힘을 측정하여 액체의 점성도를 구한다.

진동 점도계

유체 속의 진동체가 하는 비틀림 진동의 감쇠를 재어서 액체의 점도를 구한다.

그림  진동형 점도계