Chất lỏng nhớt là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về chất lỏng nhớt

Chất lỏng nhớt là hệ vật chất ở trạng thái lỏng có ma sát nội đáng kể, kháng lại biến dạng khi chịu lực cắt và vì vậy tạo ra ứng suất tỉ lệ với tốc độ biến dạng trong nhiều điều kiện. Tính chất nhớt phản ánh tương tác vi mô giữa các phân tử (liên kết hydro, tương tác van der Waals, mạng polymer) và biểu hiện vĩ mô qua tốc độ chảy, tổn thất năng lượng và tản nhiệt. Trong cơ học chất lỏng và kỹ thuật quá trình, độ nhớt là tham số cơ sở để tính toán dòng chảy trong ống, thiết kế bơm, trộn – khuấy, trao đổi nhiệt và đánh giá tiêu hao năng lượng; trong khoa học vật liệu, nó liên hệ chặt chẽ với cấu trúc và động lực học phân tử được nghiên cứu rộng rãi trên các tạp chí chuyên ngành như Journal of Physical Chemistry và Physical Chemistry Chemical Physics (RSC).

Khái niệm “nhớt” thường đi kèm với các đại lượng liên quan như độ nhớt động lực, độ nhớt động học, ứng suất cắt, tốc độ biến dạng cắt và các mô hình cấu tạo (constitutive models) mô tả quan hệ ứng suất – biến dạng. Trong bối cảnh kỹ thuật, việc chọn chất lỏng có độ nhớt phù hợp quyết định hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống: dầu bôi trơn phải đủ nhớt để duy trì màng dầu, sơn phủ phải có độ nhớt thích hợp để dàn trải mà không chảy xệ, dung dịch sinh học cần độ nhớt phù hợp để mô phỏng dòng chảy trong vi mạch. Các chuẩn và khuyến nghị công nghiệp thường được công bố bởi các tổ chức như ASTM, ISO và các hội nghề nghiệp.

Một số đặc trưng khoa học – kỹ thuật nổi bật:

• Tính chất phụ thuộc điều kiện: nhiệt độ, áp suất, thành phần, lịch sử biến dạng
• Gắn liền với vi cấu trúc: chiều dài polymer, mức độ liên kết, nồng độ hạt trong huyền phù
• Liên đới các số vô thứ nguyên: số Reynolds, số Deborah, số Weissenberg trong phân tích dòng

Độ nhớt và đơn vị đo

Độ nhớt động lực (dynamic viscosity) đo “ma sát nội” của chất lỏng đối với biến dạng cắt, định nghĩa bởi tỉ số giữa ứng suất cắt $\tau$ và tốc độ biến dạng cắt $\dot{\gamma}$: $\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}}$ trong đó $\eta$ có đơn vị SI là Pascal–giây (Pa·s). Đối với chất lỏng Newton, quan hệ tuyến tính $\tau \propto \dot{\gamma}$ giữ đúng trong dải biến dạng rộng, còn với chất lỏng phi Newton, $\eta$ phụ thuộc $\dot{\gamma}$ và/hoặc thời gian. Độ nhớt động học (kinematic viscosity) phản ánh tỉ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng $\rho$: $\nu = \frac{\eta}{\rho}$ với đơn vị SI là $\mathrm{m^2\,s^{-1}}$ (thực hành thường dùng mm²/s hay cSt). Các tiêu chuẩn đo phổ biến gồm ASTM D445 (độ nhớt động học bằng mao quản) và ISO 3104.

Bảng giá trị điển hình ở khoảng 20 °C (xấp xỉ, tham khảo dữ liệu NIST/IAPWS cho nước, tài liệu vật liệu bôi trơn và thực phẩm):

Chất lỏng	$\eta$ (mPa·s)	Nguồn tham khảo gợi ý
Nước	$\approx 1.00$	IAPWS
Không khí	$\approx 0.018$	NASA (Sutherland)
Dầu động cơ SAE	$\sim 100$–$300$	ASTM/SAE
Glycerol	$\sim 1000$	NIST WebBook

Trong phân tích và mô phỏng, quan hệ Newton cho chất lỏng đơn giản viết gọn: $\tau = \eta\,\dot{\gamma}$ trong khi các môi trường phức tạp yêu cầu mô hình tổng quát hơn. Việc hiệu chuẩn đơn vị cũng cần chú ý: $1\ \text{Pa·s} = 10\ \text{P} = 1000\ \text{mPa·s}$. Khi quy đổi giữa $\eta$ và $\nu$, cần cung cấp $\rho$ ở cùng điều kiện nhiệt độ/áp suất; dữ liệu chuẩn thường tra cứu tại IAPWS (nước/hơi), NIST Chemistry WebBook hoặc sổ tay Transport Phenomena (Wiley).

Phân loại chất lỏng nhớt

Phân loại cơ bản gồm chất lỏng Newton và phi Newton. Với chất lỏng Newton, độ nhớt độc lập với $\dot{\gamma}$ trong dải vận hành và mô tả tốt bằng quan hệ tuyến tính. Với chất lỏng phi Newton, $\eta = \eta(\dot{\gamma}, t)$ thể hiện hành vi phức tạp như loãng ra khi cắt (shear‑thinning), đặc lại khi cắt (shear‑thickening), có ứng suất chảy (yield stress) hoặc phụ thuộc lịch sử biến dạng (thixotropy/rheopexy). Những hành vi này phổ biến trong dung dịch polymer, sơn, bùn khoan, sản phẩm thực phẩm cô đặc và huyền phù hạt.

Một số mô hình cấu tạo thường dùng:

• Power‑law (Ostwald–de Waele): $\tau = K\,\dot{\gamma}^{\,n}$ với $0<n<1$ mô tả shear‑thinning, $n>1$ mô tả shear‑thickening.
• Bingham plastic: $\tau = \tau_y + \mu_p\,\dot{\gamma}$ có ứng suất chảy $\tau_y$.
• Herschel–Bulkley: $\tau = \tau_y + K\,\dot{\gamma}^{\,n}$ kết hợp yield stress và power‑law.

Các mô hình trên được thảo luận rộng trong tài liệu lưu biến học và báo cáo kỹ thuật đăng tải trên ACS và RSC, hỗ trợ lựa chọn mô hình phù hợp cho tính toán thiết kế và mô phỏng CFD.

Ví dụ ứng dụng: máu người thể hiện shear‑thinning do tương tác tế bào; sơn và mực in cần shear‑thinning để dễ thi công nhưng ổn định khi đứng yên; huyền phù tinh bột có thể shear‑thickening ở nồng độ cao; bùn và xi măng có yield stress cần vượt qua để bắt đầu chảy. Việc phân loại đúng hành vi lưu biến quyết định chất lượng dự báo áp suất, tiêu thụ năng lượng và ổn định quá trình.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt

Nhiệt độ là nhân tố chi phối: với phần lớn chất lỏng, độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng, thường được xấp xỉ bởi dạng Arrhenius: $\eta(T) = \eta_0 \exp\!\left(\frac{E_a}{R\,T}\right)$ với năng lượng hoạt hóa hiệu dụng $E_a$. Ngược lại, độ nhớt của khí tăng theo nhiệt độ và có thể mô tả bằng định luật Sutherland (cận đúng cho khí loãng, ví dụ không khí): $\mu(T)=\mu_0 \left(\frac{T}{T_0}\right)^{3/2}\frac{T_0+S}{T+S}$ trong đó $S$ là hằng số Sutherland; tham khảo mô tả tại NASA Glenn Research Center. Đối với nước, các hệ thức IAPWS cung cấp giá trị chuẩn của $\eta(T,p)$ trong miền làm việc rộng (IAPWS).

Áp suất, thành phần và vi cấu trúc cũng ảnh hưởng mạnh. Ở áp suất cao, chất lỏng thường tăng độ nhớt do giảm thể tích tự do vận chuyển; trong dung dịch polymer, $\eta$ tăng nhanh theo khối lượng phân tử và nồng độ do vướng víu chuỗi; trong huyền phù hạt, $\eta$ tăng khi phân số thể tích tiệm cận ngưỡng đóng gói. Các tác nhân hòa tan (muối, chất hoạt động bề mặt) có thể làm tăng/giảm $\eta$ bằng cách điều biến cấu trúc liên kết hoặc kích thước cụm. Dữ liệu đặc trưng và phương pháp đo được tổng hợp trong NIST WebBook và hệ tiêu chuẩn ASTM D445, hỗ trợ nội suy – ngoại suy chính xác theo điều kiện quá trình.

Tổng quan định tính về tác động các yếu tố:

Yếu tố	Chất lỏng (lỏng)	Khí	Ghi chú
Tăng nhiệt độ	Giảm $\eta$	Tăng $\mu$	Arrhenius cho lỏng; Sutherland cho khí
Tăng áp suất	Tăng $\eta$	Ảnh hưởng nhỏ (khí loãng)	Quan trọng ở dầu, polymer nén
Tăng nồng độ polymer/hạt	Tăng $\eta$	Không áp dụng	Xuất hiện shear‑thinning/yield stress

• Nước: $\eta \approx 1\,\mathrm{mPa\cdot s}$ tại 20 °C; $\approx 0{.}28\,\mathrm{mPa\cdot s}$ tại 100 °C (chuẩn IAPWS).
• Không khí: $\mu \approx 0{.}018\,\mathrm{mPa\cdot s}$ tại 20 °C (ước lượng Sutherland, NASA).

Phương pháp đo độ nhớt

Độ nhớt của chất lỏng có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau, tùy vào loại chất lỏng và mức độ chính xác cần thiết. Các thiết bị đo chuyên dụng gọi là viscometer hoặc rheometer được thiết kế để đo mối quan hệ giữa ứng suất và tốc độ biến dạng. Đối với chất lỏng Newton, các viscometer đơn giản thường đủ chính xác, trong khi chất lỏng phi Newton cần đến các rheometer hiện đại có khả năng kiểm soát chế độ cắt và dòng chảy phức tạp.

Một số phương pháp phổ biến:

• Viscometer mao quản: dựa trên thời gian chất lỏng chảy qua ống mao quản dưới tác dụng của trọng lực. Đây là phương pháp chuẩn hóa trong nhiều tiêu chuẩn công nghiệp, như ASTM D445.
• Viscometer quay: xác định mô-men cần thiết để quay một trục trong chất lỏng, phù hợp để đo chất lỏng phi Newton.
• Viscometer rơi cầu: đo thời gian một quả cầu rơi qua chất lỏng và từ đó suy ra độ nhớt.
• Rheometer động: cho phép kiểm soát ứng suất và tốc độ biến dạng, dùng trong nghiên cứu nâng cao.

Bảng so sánh một số phương pháp:

Phương pháp	Ưu điểm	Hạn chế
Mao quản	Đơn giản, chi phí thấp, chuẩn hóa tốt	Không thích hợp cho chất lỏng có hạt hoặc phi Newton
Quay	Ứng dụng đa dạng, đo được phi Newton	Cần hiệu chuẩn cẩn thận, chi phí cao hơn
Rơi cầu	Dễ thực hiện, trực quan	Phụ thuộc chính xác vào khối lượng riêng
Rheometer	Đo được nhiều chế độ phức tạp, chính xác cao	Chi phí lớn, yêu cầu kỹ thuật vận hành

Ứng dụng của chất lỏng nhớt trong công nghiệp

Độ nhớt đóng vai trò quyết định trong nhiều quá trình công nghiệp. Trong ngành ô tô, dầu bôi trơn phải có độ nhớt phù hợp để tạo màng bảo vệ các chi tiết máy. Nếu độ nhớt quá thấp, màng dầu dễ bị phá vỡ, gây mài mòn; nếu quá cao, năng lượng tiêu hao tăng và khởi động máy khó khăn.

Trong công nghiệp thực phẩm, độ nhớt ảnh hưởng trực tiếp đến cảm quan và quy trình sản xuất. Sữa đặc, mật ong, nước sốt hay kem đều cần có độ nhớt thích hợp để đảm bảo kết cấu, hương vị và khả năng vận chuyển. Độ nhớt còn quyết định thời gian bảo quản và sự ổn định sản phẩm. Food Hydrocolloids là tạp chí chuyên ngành thường xuyên công bố các nghiên cứu về vai trò của chất lỏng nhớt trong chế biến thực phẩm.

Trong ngành dầu khí, việc vận chuyển dầu thô đòi hỏi phải kiểm soát độ nhớt, đặc biệt đối với dầu nặng có độ nhớt cao. Các giải pháp như gia nhiệt, thêm dung môi hoặc sử dụng phụ gia giảm ma sát thường được áp dụng để đảm bảo hiệu quả vận chuyển qua đường ống (Fuel Journal).

Ứng dụng trong y học và sinh học

Trong hệ tuần hoàn, máu là một chất lỏng phi Newton, độ nhớt của nó thay đổi tùy tốc độ dòng chảy, nhiệt độ và nồng độ hồng cầu. Độ nhớt máu tăng bất thường có thể dẫn đến tăng nguy cơ huyết khối, rối loạn tuần hoàn và bệnh tim mạch. Các nghiên cứu trên Circulation Journal cho thấy sự thay đổi độ nhớt huyết tương là một chỉ số tiềm năng để dự đoán biến cố tim mạch.

Trong y học lâm sàng, đo độ nhớt của dịch cơ thể như dịch não tủy hoặc chất nhầy hô hấp cũng giúp chẩn đoán và theo dõi bệnh. Trong kỹ thuật sinh học, kiểm soát độ nhớt môi trường nuôi cấy là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào và vi sinh vật.

Các mô hình lý thuyết mô tả chất lỏng nhớt

Đối với chất lỏng Newton, mô hình tuyến tính của Newton mô tả chính xác mối quan hệ ứng suất cắt và tốc độ biến dạng. Tuy nhiên, các chất lỏng phi Newton cần những mô hình phức tạp hơn.

Một số mô hình lý thuyết phổ biến:

• Power-law: $\tau = K \dot{\gamma}^n$, trong đó $K$ là hằng số, $n$ là chỉ số dòng chảy.
• Bingham Plastic: $\tau = \tau_y + \mu_p \dot{\gamma}$, với $\tau_y$ là ứng suất chảy.
• Herschel–Bulkley: $\tau = \tau_y + K \dot{\gamma}^n$, kết hợp đặc tính yield stress và power-law.

Việc lựa chọn mô hình phù hợp giúp dự đoán dòng chảy trong ống, bể chứa và thiết bị công nghiệp, từ đó tối ưu hóa năng lượng và thiết kế quy trình. Các nghiên cứu về lưu biến học hiện đại thường dựa trên mô phỏng số (CFD) kết hợp dữ liệu thực nghiệm.

Thách thức và định hướng nghiên cứu

Mặc dù nhiều tiến bộ đã đạt được, nghiên cứu về chất lỏng nhớt vẫn đối diện với nhiều thách thức. Việc mô tả chính xác hành vi phi Newton ở mức phân tử còn phức tạp, đặc biệt khi liên quan đến polymer hoặc huyền phù đa pha. Các phương pháp mô phỏng động lực học phân tử đang được sử dụng để hiểu rõ hơn về cơ chế tạo độ nhớt từ tương tác vi mô.

Một hướng nghiên cứu mới là ứng dụng công nghệ nano để điều chỉnh độ nhớt, như sử dụng hạt nano trong dầu nhờn hoặc dung dịch y sinh. Ngoài ra, việc phát triển các chất lỏng thông minh có thể thay đổi độ nhớt theo điều kiện môi trường cũng mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và y học. Các xu hướng này thường được công bố trên Physical Chemistry Chemical Physics và Journal of Physical Chemistry.

Tài liệu tham khảo

1. Bird, R.B., Stewart, W.E., & Lightfoot, E.N. (2002). Transport Phenomena (2nd ed.). Wiley.
2. ASTM International. (2019). ASTM D445-19: Standard Test Method for Kinematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids. Link
3. Fuel Journal. Elsevier. Link
4. Food Hydrocolloids. Elsevier. Link
5. Circulation. American Heart Association. Link
6. Journal of Physical Chemistry. American Chemical Society. Link
7. Physical Chemistry Chemical Physics. Royal Society of Chemistry. Link
8. NIST Chemistry WebBook. National Institute of Standards and Technology. Link