چرا آب بهراحتی جریان پیدا میکند، اما سس، کرم، رنگ یا گریس رفتار متفاوتی دارند؟ چرا بعضی مواد با افزایش سرعت همزدن روانتر میشوند و بعضی مواد در برابر برش رفتار کاملاً متفاوتی نشان میدهند؟
پاسخ این تفاوتها تا حد زیادی به رفتار رئولوژیکی سیال مربوط است.
یکی از مهمترین دستهبندیها در بررسی رفتار سیالات، تقسیم آنها به سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی است. شناخت این تفاوت در فرآیندهایی مانند پمپاژ، انتقال مواد، میکس، دیسپرس کردن و هموژنیزاسیون اهمیت زیادی دارد.
در این مقاله، بدون ورود به مباحث پیچیده رئولوژی، تفاوت سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی و مهمترین انواع و مثالهای آنها را بررسی میکنیم.
سیال نیوتنی چیست؟
سیال نیوتنی (Newtonian Fluid) به سیالی گفته میشود که در شرایط مشخص، ویسکوزیته آن با تغییر نرخ برش تغییر نمیکند.
به زبان سادهتر، اگر یک سیال نیوتنی را با سرعتهای مختلف هم بزنیم یا تحت شرایط مختلف جریان قرار دهیم، مقاومت آن در برابر جریان در محدوده مورد بررسی به شکل مشخص و ثابتی رفتار میکند.
مثالهایی از سیالات نیوتنی
برخی از نمونههای شناختهشده سیالاتی که در شرایط معمول رفتار تقریباً نیوتنی دارند عبارتاند از:
آب
هوا
برخی حلالها
بسیاری از روغنهای ساده
برخی محلولهای رقیق
البته نیوتنی بودن یک ماده را نباید بدون توجه به شرایط، یک ویژگی مطلق در نظر گرفت. دما، فشار، ترکیب ماده و محدوده کاری میتوانند روی رفتار جریان تأثیر بگذارند.
برای مثال، ویسکوزیته یک روغن با تغییر دما میتواند تغییر قابلتوجهی داشته باشد. بنابراین وقتی درباره رفتار یک سیال صحبت میکنیم، شرایط فرآیند نیز اهمیت دارد.
سیال غیر نیوتنی چیست؟
سیال غیر نیوتنی (Non-Newtonian Fluid) سیالی است که رفتار آن در برابر اعمال برش، از رفتار ساده و خطی سیالات نیوتنی پیروی نمیکند.
یکی از ویژگیهای مهم بسیاری از سیالات غیر نیوتنی این است که ویسکوزیته ظاهری آنها با تغییر نرخ برش تغییر میکند.
به زبان ساده، ممکن است یک ماده هنگام حرکت آرام، نسبتاً غلیظ باشد، اما وقتی تحت همزدن یا برش شدید قرار میگیرد، روانتر شود.
البته همه سیالات غیر نیوتنی دقیقاً همین رفتار را ندارند. بعضی از آنها برعکس، با افزایش برش مقاومت بیشتری در برابر جریان نشان میدهند.
به همین دلیل، سیالات غیر نیوتنی را میتوان به رفتارهای مختلفی تقسیم کرد.
تفاوت سیال نیوتنی و غیر نیوتنی چیست؟
مهمترین تفاوت این دو گروه در نحوه تغییر رفتار جریان آنها در برابر نرخ برش است.
| ویژگی | سیال نیوتنی | سیال غیر نیوتنی |
|---|---|---|
| رفتار ویسکوزیته | تقریباً مستقل از نرخ برش در شرایط مشخص | میتواند با نرخ برش تغییر کند |
| رفتار در هنگام همزدن | قابل پیشبینیتر | میتواند پیچیدهتر باشد |
| رابطه تنش و برش | رفتار خطی در محدوده مورد بررسی | معمولاً غیرخطی یا دارای تنش تسلیم |
| مثال | آب | سس، رنگ، بسیاری از کرمها و سوسپانسیونها |
| اهمیت در تجهیزات فرآیندی | معمولاً سادهتر برای پیشبینی | نیازمند شناخت رفتار ماده |
بنابراین تفاوت اصلی فقط این نیست که یک ماده «رقیق» یا «غلیظ» باشد. رفتار ماده هنگام اعمال برش اهمیت بیشتری دارد.
انواع مهم سیالات غیر نیوتنی
سیالات غیر نیوتنی رفتارهای متفاوتی دارند. سه گروه مهم آنها عبارتاند از:
۱. سیالات Shear Thinning یا شبهپلاستیک
در این مواد، با افزایش نرخ برش، ویسکوزیته ظاهری کاهش پیدا میکند.
به زبان ساده، ماده در حالت آرام ممکن است نسبتاً غلیظ باشد، اما هنگام همزدن، پمپاژ یا عبور از یک ناحیه با برش بیشتر، روانتر شود.
برخی سسها، رنگها، محلولهای پلیمری و محصولات آرایشی میتوانند چنین رفتاری داشته باشند.
این ویژگی در بسیاری از فرآیندهای صنعتی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا ماده هنگام تولید ممکن است تحت برش بسیار بیشتری نسبت به زمان نگهداری یا مصرف قرار بگیرد.
۲. سیالات Shear Thickening یا دیلاتانت
این گروه تقریباً رفتار معکوس دارند.
با افزایش نرخ برش، ویسکوزیته ظاهری آنها افزایش پیدا میکند و ماده میتواند در برابر حرکت سریع مقاومت بیشتری نشان دهد.
یکی از مثالهای معروف، مخلوط نشاسته و آب است که تحت شرایط مناسب میتواند رفتار shear thickening نشان دهد.
این رفتار در طراحی تجهیزات اختلاط و انتقال اهمیت دارد، زیرا افزایش بیش از حد شدت فرآیند همیشه به معنای عملکرد بهتر نیست.
۳. سیالات دارای تنش تسلیم
برخی مواد تا زمانی که نیروی کافی به آنها وارد نشود، جریان قابلتوجهی ندارند.
به حداقل تنشی که برای شروع جریان لازم است، تنش تسلیم (Yield Stress) گفته میشود.
سسها، خمیرها، برخی رنگها و گریسها میتوانند رفتار همراه با تنش تسلیم داشته باشند.
این ویژگی یکی از دلایلی است که انتقال یا همزدن چنین موادی با آب یا یک سیال ساده قابل مقایسه نیست.
چند مثال از سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی
برای درک بهتر، چند نمونه رایج را میتوان به صورت زیر مقایسه کرد:
| ماده | رفتار تقریبی |
|---|---|
| آب | نیوتنی |
| هوا | نیوتنی |
| برخی روغنها | تقریباً نیوتنی در محدوده مشخص |
| سس کچاپ | غیر نیوتنی |
| مایونز | غیر نیوتنی |
| بسیاری از رنگها | غیر نیوتنی |
| برخی کرمهای آرایشی | غیر نیوتنی |
| گریس | غیر نیوتنی |
| مخلوط نشاسته و آب | میتواند shear thickening باشد |
نکته مهم این است که این مثالها مطلق نیستند. رفتار رئولوژیکی یک محصول به فرمولاسیون، دما، غلظت، اندازه ذرات و شرایط اندازهگیری بستگی دارد.
بنابراین نمیتوان صرفاً بر اساس نام یک ماده، رفتار رئولوژیکی آن را در تمام شرایط تعیین کرد.
چرا شناخت نوع سیال در صنعت مهم است؟
شناخت رفتار سیال فقط یک موضوع تئوری نیست.
وقتی یک ماده در یک خط تولید باید پمپ، منتقل، مخلوط، دیسپرس یا هموژنیزه شود، رفتار آن میتواند روی انتخاب تجهیزات و شرایط فرآیند تأثیر بگذارد.
برای مثال، پمپی که برای انتقال آب مناسب است، لزوماً برای انتقال یک ماده بسیار ویسکوز یا مادهای که تنش تسلیم دارد، انتخاب مناسبی نیست.
همین موضوع در مورد تجهیزات میکس و هموژنیزاسیون نیز اهمیت دارد.
در یک هموژنایزر، ماده ممکن است در مدت کوتاهی تحت نرخ برش بسیار بالاتری نسبت به حالت عادی قرار بگیرد. بنابراین دانستن اینکه ماده در برابر افزایش برش چگونه رفتار میکند، میتواند برای انتخاب روش مناسب فرآوری اهمیت داشته باشد.
سیالات غیر نیوتنی چه ارتباطی با هموژنایزر دارند؟
هموژنیزاسیون فقط به «سرعت دستگاه» محدود نمیشود.
نوع ماده، ویسکوزیته، اندازه ذرات، ساختار محصول و رفتار آن در برابر برش همگی میتوانند روی نتیجه فرآیند تأثیر بگذارند.
برای مثال، مادهای که هنگام افزایش برش روانتر میشود ممکن است در شرایط کاری پمپ هموژنایزر رفتار متفاوتی نسبت به همان ماده در حالت ساکن داشته باشد.
به همین دلیل، برای انتخاب یک هموژنایزر یا میکسر مناسب نمیتوان تنها به یک مشخصه مانند ویسکوزیته اسمی ماده تکیه کرد.
شناخت رفتار ماده در شرایط واقعی فرآیند اهمیت زیادی دارد.
رئولوژی چه ارتباطی با سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی دارد؟
رئولوژی (Rheology) علم بررسی رفتار جریان و تغییر شکل مواد است.
سیالات نیوتنی و غیر نیوتنی نیز از دید رئولوژی بررسی میشوند تا مشخص شود یک ماده در برابر نیرو و برش چگونه رفتار میکند.
بنابراین اگر بخواهیم رفتار موادی مانند سس، رنگ، کرم، گریس یا سوسپانسیون را بهتر درک کنیم، رئولوژی یکی از مفاهیم اصلی مورد استفاده است.
جمعبندی
سیالات را میتوان از نظر رفتار جریان به گروههای مختلفی تقسیم کرد. در سیالات نیوتنی، ویسکوزیته در شرایط مشخص و محدوده مورد بررسی مستقل از نرخ برش است؛ در حالی که در بسیاری از سیالات غیر نیوتنی، رفتار جریان و ویسکوزیته ظاهری با شرایط اعمال برش تغییر میکند.
سیالات غیر نیوتنی نیز رفتارهای مختلفی مانند Shear Thinning، Shear Thickening و رفتار دارای تنش تسلیم دارند.
شناخت این تفاوتها در صنایع غذایی، دارویی، آرایشی، شیمیایی، رنگ، روانکار و بسیاری از فرآیندهای صنعتی اهمیت دارد؛ بهخصوص زمانی که ماده باید توسط پمپ، میکسر، دیسپرسِر یا هموژنایزر فرآوری شود.
در نهایت، ویسکوزیته بهتنهایی همیشه تصویر کاملی از رفتار یک ماده ارائه نمیدهد و در فرآیندهای صنعتی، شناخت رفتار ماده در شرایط واقعی کار اهمیت بیشتری پیدا میکند.
