Viskozite
Otomotiv mühendisleri, otomobil ve motosiklet gibi araçların motor parçalarındaki aşınmayı önlemek için kullanılan motor yağının belirli aralıklarla değiştirilmesini tavsiye eder. Motor parçalarında meydana gelen aşınmanın en önemli nedenlerinden biri, temas hâlindeki hareketli parçalar arasında oluşan sürtünmedir. Kullanılan motor yağı; sürtünme, aşınma ve sıcaklık artışı gibi istenmeyen durumları önler ve motorun performansını artırır. Bu bakımdan araç için uygun motor yağını seçerken dikkat edilmesi gereken hususlardan biri motor yağının akışkanlığı yani viskozitesidir. Halk arasında "kalın yağ" olarak ifade edilen viskozitesi yüksek motor yağının akışkanlığı azdır ve bu durum yağın motor parçalarına iletilmesini zorlaştırır. İnce yağların ise viskozitesi düşük, akışkanlığı fazladır; bu durumda motor parçaları istenen oranda yağlanmaz ve kuru kalan yüzeylerde aşınmalar meydana gelir. Bu nedenle ideal viskozite aralığına sahip motor yağı tercih edilmelidir. 1950'lerden önce motor yağı seçiminde yaşanan bölgenin iklim koşulları dikkate alınıyor, genellikle yaz ve kış aylarında farklı motor yağı kullanılması tavsiye ediliyordu. Günümüzde ise 10W-40 gibi çok dereceli yağların ortaya çıkışı, düşük sıcaklıklarda kıvrılan ancak yüksek sıcaklıklarda çözülen polimerler (polimetil metakrilat vb.) sayesinde birçok iklimde tüm yıl boyunca aynı yağın geniş bir sıcaklık aralığında verimli şekilde kullanılmasına olanak tanımaktadır.
Viskozite Nedir?
Sıvılar akışkan özellik gösterir. Süt, su, bal, pekmez, zeytinyağı, benzin, motor yağı, şurup, şampuan gibi birçok sıvı madde akışkan özelliktedir. Ancak aynı şartlarda sıvıların akışkanlığı birbirinden farklıdır; tüm sıvılar akmaya karşı farklı ölçülerde direnç gösterir. Sıvıların akmaya karşı gösterdiği dirence viskozite denir. Viskozitenin SI birim sistemindeki birimi paskal.saniye (Pa.s) şeklindedir. Viskozitesi büyük sıvılara viskoz sıvı adı verilir.
Sıvıların akışkan özellikte olmasının nedeni, öteleme hareketi yapan taneciklerinin birbirleri üzerinde kaymasıdır. Eğer sıvı taneciklerinin öteleme hareketi yavaşsa sıvılar akmaya karşı direnç gösterir. Örneğin bir bisiklet, el freni yavaşça çekilerek sürülmeye çalışılırsa (bir tür sürtünme) bisikletin ileri doğru hareket etmesi zorlaşır ve bisikletin harekete karşı direnci yüksek olur. Aynı şekilde viskozitesi yüksek sıvıların da akmaya karşı direnci yüksek, akışkanlıkları düşüktür; sıvıyı oluşturan tanecikler birbiri üzerinde kayarken yavaş hareket eder.
Bazı sıvıların 20 °C'taki viskozite değerleri (Pa.s cinsinden) şöyledir: su 1,01×10⁻³, aseton 0,316×10⁻³, benzen 0,625×10⁻³, etanol 1,20×10⁻³, propanol 1,94×10⁻³, karbontetraklorür 0,969×10⁻³, etilen glikol 19,83×10⁻³, motor yağı 0,06-0,30, pekmez 5-10, bal 2-10, zeytinyağı 81×10⁻³ ve gliserin 1,49 Pa.s. Bu değerler, sıvılar arasındaki viskozite farkının büyüklüğünü açıkça gösterir; örneğin gliserin, sudan yaklaşık 1500 kat daha viskozdur.
Viskozitenin Günlük Hayat ve Endüstrideki Önemi
Sıvıların viskozitesi günlük hayat ve endüstri uygulamaları için oldukça önemlidir. Örneğin domates sosunun şişeden kolay veya zor çıkarılmasını; bal, pekmez gibi gıdaların ekmeğe sürülebilme özelliğini ve şampuanların saça yayılma kolaylığını sıvıların viskozitesi belirler. Şurup formundaki ilaçlar, nar ekşisi, sos, reçel gibi sıvıların kullanımında da viskozite önemlidir. Viskozitesi çok yüksek sıvıların şişeden akma süresi uzundur ve akan sıvının şişede kalan kısımdan kopması zordur. Viskozite düşük olursa da miktar kontrolünü sağlamak zorlaşır.
Endüstriden de çeşitli örnekler verilebilir: motor yağının viskozitesi motorun performansını, hidroelektrik santrallerde kullanılan yağların viskozitesi ise türbinlerin performansını belirler. Boyanın akıcılığı hem uygulama kolaylığı sağlar hem de boyanın sürülen yeri kaplama ve kapatma niteliğini etkiler. Bir ürünün viskozitesinin istenen değerde olmaması tüketiciler tarafından o ürünün güvenilmez ve düşük kaliteli olduğu şeklinde yorumlanabilir. Bu nedenle fabrikalarda genellikle ürünlerin viskozitesini günlük olarak test eden kalite kontrol laboratuvarları bulunur.
Bir kozmetik firmasının nemlendirici cilt serumu geliştirme örneğinde, serumun çok akıcı olması cilde uygulanırken dağılmasına neden olurken çok viskoz olması uygulanmasını zorlaştırabilmektedir. Bu nedenle kimyagerler, serumun etken maddeleri olan su ve gliserinin moleküler yapısını inceleyerek farklı viskoziteye sahip bu sıvıları karıştırıp ideal bir viskoziteye ulaşmıştır. Ürünün ideal viskozitesinin korunabilmesi için buzdolabında veya doğrudan güneş ışığı alan bir ortamda saklanmaması gerektiği de belirtilmiştir; bu da sıcaklığın viskoziteyi etkilediğinin bir göstergesidir.
Viskoziteyi Ölçme Yöntemleri
Sıvıların viskozitesini ölçmek için kullanılan araçlara viskozimetre denir ve laboratuvarlarda genellikle Ostwald (Osvald) viskozimetresi kullanılır. Sıvıların akışkanlıkları birbirleriyle kıyaslanarak da belirlenebilir. Aynı miktardaki farklı sıvıların ince bir boru, damlalık veya büretten akma süresi ya da belirli eğime sahip bir yüzeyden serbest akış hızı tespit edilirse sıvıların viskozitesi belirlenmiş olur. Ayrıca büret veya pipetten belirli bir sürede akan sıvının hacmi ölçülebilir; uzun bir kabın içindeki sıvılara bırakılan çelik bir bilyenin sıvı yüzeyinden tüpün dibine iniş süresi de sıvıların viskozitesinin belirlenmesini sağlar.
Viskoziteyi Etkileyen Faktörler
1. Moleküller Arası Etkileşim Türü ve Kuvveti
Bir sıvının sahip olduğu moleküller arası etkileşim türü, sıvının akışkanlığını belirler. Sıvıların moleküller arası etkileşim kuvvetleri değiştikçe akışkanlıkları da değişir. Moleküller arası etkileşim kuvveti büyük olan sıvıların akışkanlıkları azalır, viskoziteleri artar. İki farklı sıvının moleküller arası etkileşim türü aynı olsa bile akışkanlıkları farklı olabilir; örneğin su ve gliserinin molekülleri arasında hidrojen bağı vardır, ancak sıvı moleküllerinin arasında oluşan hidrojen bağlarının sayısı ve kuvveti farklı olduğundan akışkanlıkları da farklıdır. Sıvıda hidrojen bağı sayısının artması, sıvı moleküllerinin öteleme hareketi yaparak birbirlerinin üzerinden kolaylıkla kaymasını engeller; bu durumda sıvının akışkanlığı azalır, viskozitesi artar. Gliserinin molekülleri arasındaki hidrojen bağı sayısı su ve etilen glikolden daha fazla olduğu için gliserinin akışkanlığı bu sıvılardan daha az, viskozitesi daha fazladır (gliserin 1,49 Pa.s, etilen glikol 19,83×10⁻³ Pa.s, su 1,01×10⁻³ Pa.s).
Apolar moleküllerde ise elektron sayısı arttıkça London kuvvetlerinin etkisi artacağından sıvıların akışkanlığı azalır, viskoziteleri artar. Bu durum 25 °C'taki hidrokarbon serisinde açıkça görülür: pentanın (C₅H₁₂, 42 toplam elektron) viskozitesi 2,24×10⁻⁴ Pa.s iken, hekzanın (C₆H₁₄, 50 elektron) 3,00×10⁻⁴ Pa.s, heptanın (C₇H₁₆, 58 elektron) 3,87×10⁻⁴ Pa.s, oktanın (C₈H₁₈, 66 elektron) ise 5,08×10⁻⁴ Pa.s'dir — molekül büyüdükçe ve elektron sayısı arttıkça viskozite düzenli olarak artar.
Benzen (C₆H₆) ile su (H₂O) karşılaştırıldığında, benzenin viskozitesinin suya göre daha düşük ve akışkanlığının daha yüksek olmasının nedeni, benzenin apolar bir molekül olması ve moleküller arasında yalnızca zayıf London kuvvetlerinin etkili olmasıdır; oysa su molekülleri arasında çok daha güçlü hidrojen bağları bulunur.
2. Moleküllerin Geometrik Şekli ve Kütlesi
Moleküllerin geometrik şekli ve kütlesi de moleküller arası etkileşimleri dolayısıyla sıvıların akışkanlığını etkiler. Genellikle küçük ve küresel yapıdaki moleküllerin akışkanlığı fazla, büyük ve uzun zincirli moleküllerin akışkanlığı daha azdır. Benzer molekül yapısına sahip sıvılarda mol kütlesi büyük olanın akışkanlığı genellikle daha azdır. Örneğin propil alkolün (mol kütlesi 60 g/mol) 25 °C'taki akışkanlığı, etil alkolün (mol kütlesi 46 g/mol) akışkanlığından daha azdır.
3. Sıcaklık
Sıvıların akışkanlığını belirleyen bir diğer etken sıcaklıktır. Sıvıların sıcaklığı arttıkça moleküller arası etkileşim kuvvetleri zayıflar; bu durumda akışkanlık artar, viskozite azalır. Yollara asfalt dökülürken ziftin ısıtılması ve reçelin kavanozlara sıcak doldurulması gibi günlük hayat uygulamaları, akışkanlığın sıcaklıkla artması ve viskozitenin azalması ilkesine dayanır. Bu ilişki nedeniyle, örneğin viskozitesi suya göre çok daha yüksek olan zeytinyağının (81×10⁻³ Pa.s karşı suyun 1,01×10⁻³ Pa.s'si) viskozitesini suyunkine yaklaştırmak isteniyorsa, zeytinyağının sıcaklığı artırılarak moleküller arası etkileşimler zayıflatılabilir.
Özet: Viskoziteyi Belirleyen Üç Temel Etken
Sıvıların akışkanlığı ile viskozitesi arasındaki ilişki üç temel örüntüyle özetlenebilir: sıvı molekülleri arasındaki etkileşim kuvveti arttıkça sıvıların akışkanlığı azalır, viskoziteleri artar; sıvıların sıcaklıkları arttıkça akışkanlıkları artar, viskoziteleri azalır; moleküllerin boyutu ve kütlesi büyüdükçe de genellikle akışkanlık azalır, viskozite artar. Özdeş tüplere konan farklı sıvılara bırakılan özdeş çelik bilyelerin belirli sürede aldıkları yolun karşılaştırılması gibi basit deneyler, bu üç etkeni birbirinden ayırt ederek incelemeyi mümkün kılar.