Độ Engler
Đơn vị ngoài SI của độ nhớt quy ước · đại lượng: sức cản của chất lỏng đối với dòng chảy
Biển máy của một chiếc bơm bánh răng cũ thường đòi thứ dầu «không đặc hơn 8 °E ở 50 °C», và ai quen với xentistokes sẽ đọc dòng ấy mà ngơ ngác, vì đằng sau con số chẳng có nghĩa vật lí nào đứng cả. Độ Engler là tỉ số của hai thời gian: hai trăm mililít chất lỏng chảy khỏi bình đồng thau qua vòi đã hiệu chuẩn mất bao nhiêu giây, và cùng lượng nước ấy từ chính chiếc bình ấy mất bao nhiêu giây. Vì thế nước bằng một theo định nghĩa, còn thứ dầu chảy chậm gấp tám lần thì nhận tám độ.
Đơn vị được dựng sao cho thiết bị tự làm chuẩn cho chính mình, và điều đó giải thích một lúc cả sự tiện lợi lẫn nỗi bất hạnh của nó: chiếc phễu có thể chế trong bất cứ phòng thí nghiệm nhà máy nào, nhưng ở Đức làm theo Engler, ở Anh theo Redwood, ở Mỹ theo Saybolt, và cùng một thứ dầu thô nhận ba con số không so được với nhau. Cả ba chỉ chuyển sang xentistokes vào nửa sau thế kỉ hai mươi, trong khi biển máy trên bơm, hộp giảm tốc và hệ dầu nhiên liệu nặng vẫn ghi theo lối cũ, và đến hôm nay vẫn phải quy đổi.
01 · Định nghĩa
Độ Engler là tỉ số giữa thời gian chảy ra của hai trăm mililít chất lỏng đem thử với thời gian chảy ra của cùng lượng nước cất ở hai mươi độ Celsius, cả hai phép đo đều làm trên cùng một thiết bị. Thời gian của nước gọi là trị số nước; ở nhớt kế còn tốt, nó nằm trong khoảng năm mươi mốt giây với dung sai một giây.
Mối liên hệ với độ nhớt động học là có, nhưng không tuyến tính, và lí do hoàn toàn thuộc về vật lí: chất lỏng rời vòi không chỉ nhờ ma sát nhớt mà còn nhờ quán tính, nên một phần áp lực đi vào động năng của tia. Chừng nào chất lỏng còn đặc thì hiệu chỉnh quán tính có thể bỏ qua và số độ quy sang xentistokes gần như tỉ lệ, còn ở chất lỏng loãng thì hiệu chỉnh trở nên ngang tầm với chính phép đo. Vì lẽ đó công thức Ubbelohde không dùng dưới 1,35 °E, còn phễu Engler thì hoàn toàn không dùng cho chất lỏng loãng hơn năm milimét vuông trên giây.
Nhiệt độ đo luôn được ghi và đi vào biên bản ngang hàng với con số, vì độ nhớt của dầu giảm một nửa sau mỗi hai mươi độ gia nhiệt. Thực hành Đức thử ở hai mươi, năm mươi và một trăm độ; thực hành Liên Xô, vốn thừa hưởng chính thiết bị ấy dưới tên độ nhớt quy ước, thường bám lấy năm mươi và tám mươi — và chính nhiệt độ sau này đã lọt cả vào tên loại dầu nhiên liệu nặng, nơi con số trong M-40 hay M-100 bắt nguồn từ độ nhớt ở tám mươi độ.
Một đại lượng được định nghĩa qua chính thiết bị của mình thì không có chuẩn theo nghĩa thông thường của từ ấy: cái lặp lại được không phải độ nhớt, mà là cặp «bình cộng vòi», đã hiệu chuẩn bằng nước. Từ đó mà có cả yêu cầu kiểm trị số nước trước mỗi loạt, lẫn lệnh cấm quy đổi độ của người khác khi không rõ chúng lấy trên thiết bị nào và ở nhiệt độ nào.
Hãy gia nhiệt mẫu bằng con trượt, tia từ vòi sẽ chảy nhanh hơn: đồng hồ bấm giây, và cùng với nó là độ Engler, đáp lại nhiệt độ gắt hơn nhiều so với ta tưởng. Cột bên trái cho thấy hai trăm mililít mất bao lâu, còn các dòng bên phải cho thấy cùng một trạng thái được bốn thang khác nhau đọc ra sao.
Đường liền là sự phụ thuộc thật của xentistokes vào số độ, đường đứt là tỉ lệ đơn giản với hệ số 7,31. Ở dầu đặc, bên phải đường dọc, hai đường gần như trùng nhau; bên trái, nơi chất lỏng chảy dễ dàng, tỉ lệ ước cao độ nhớt, vì tia rời vòi bằng quán tính. Dấu đỏ chỉ vùng dưới 1,35 °E, nơi phép đo đơn giản là không được coi là đáng tin.
02 · Quy đổi
Nhập điều ghi trên biển máy
Mọi thang quy ước đều quy về một độ nhớt động học duy nhất, nên việc chuyển đổi giữa chúng là máy móc; song độ chính xác thì không tuyệt đối: giây Saybolt và Redwood nối với xentistokes bằng những công thức gần đúng chẳng khác gì công thức Ubbelohde rút ra cho thiết bị của mình.
Trị số nước của thiết bị được đưa vào phần thiết lập chi tiết của phiếu, vì thời gian chảy ra phụ thuộc thẳng vào nó: lệch một giây khi hiệu chuẩn cho kết quả lệch chừng hai phần trăm.
Con số không kèm nhiệt độ thì không quy đổi được, và đây không phải chuyện bắt bẻ: cùng một thứ dầu cho chừng mười hai độ ở năm mươi độ Celsius và chưa tới ba độ ở một trăm. Nếu trên biển máy của bơm không ghi nhiệt độ thì mặc định đọc là năm mươi độ với dầu công nghiệp và tám mươi với dầu nhiên liệu nặng — nhưng tốt hơn cả là tìm ra chính bản tiêu chuẩn mà biển máy ấy dựa vào.
| Giá trị | Ghi chú | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Bậc độ lớn
thang lôgarit: từ nước đến bitum04 · Dụng cụ đo
Đo độ nhớt bằng gì
Bình đồng thau trong bể nước hoặc bể dầu, phía dưới là vòi hình côn và nút gỗ được rút ra đúng khoảnh khắc bấm đồng hồ. Hai trăm mililít hứng vào bình định mức, còn bản thân thiết bị được hiệu chuẩn bằng nước trước mỗi loạt, vì cả vòi lẫn thể tích đều rời xa các trị số đã kiểm định theo thời gian.
Người bà con Mỹ của cùng chiếc phễu ấy: vòi cỡ khác, mỗi lần sáu mươi mililít, và kết quả gọi thẳng là giây. Con số ra lớn hơn của Engler chừng ba mươi lần, và trong các báo cáo dầu khí tiếng Anh vẫn gặp đến hôm nay, dẫu ASTM từ lâu đã dành ưu tiên cho xentistokes.
Ống thủy tinh có hai vạch để mặt khum đi qua giữa chúng: lấy thời gian rơi nhân với hằng số mao quản là ra thẳng xentistokes, không qua thang quy ước nào. Phương pháp được mô tả trong ISO 3104 và ASTM D445, và chính nó đã đẩy các chiếc phễu ra rìa, vì chỉ cần một đê mẫu và không phụ thuộc vào bàn tay ai cầm đồng hồ.
Một trục quay trong mẫu và người ta đo mômen trên trục, nên thời gian thử không phụ thuộc vào độ đặc và như nhau với dầu cũng như với bitum. Rôto làm được điều phễu không làm nổi: nó áp đặt tốc độ trượt, và chỉ trên nó mới thấy chất bôi trơn có phụ gia loãng đi khi trượt nhanh.
05 · Quy tắc viết
Một độ không kèm nhiệt độ chẳng có nghĩa gì
Dấu độ đặt liền sát chữ cái Latinh viết hoa, trị số tách bằng một khoảng trắng, còn nhiệt độ đo thì luôn phải ghi, vì thiếu nó thì con số không kiểm được mà cũng chẳng quy đổi được. Kí hiệu Liên Xô của độ nhớt quy ước viết bằng chữ Kirin và cũng kèm nhiệt độ; còn đặt dấu bằng giữa số độ và xentistokes thì ngay trong bản nháp cũng không được phép: mối liên hệ là gần đúng và một chiều.
Cách viết thứ hai lẫn lộn đại lượng với thiết bị, vì độ của độ nhớt là thứ không tồn tại — chỉ có tỉ số của các thời gian, lấy trên một chiếc phễu nhất định. Cách thứ ba đặt dấu bằng vào chỗ đáng lẽ là xấp xỉ, nên trong báo cáo nó cho một sự chính xác giả. Cách thứ tư thì đơn giản là bất khả: dưới 1,35 °E phương pháp không chạy, và con số thu được với chất lỏng loãng đến thế phản ánh không phải độ nhớt mà là quán tính của tia.
06 · Các đơn vị lân cận
Họ hàng gần nhất là các thang quy ước còn lại, dựng lên y hệt: thời gian chảy ra của một lượng qua vòi đã hiệu chuẩn, chỉ có điều vòi thì nước nào cũng riêng của nước ấy. Tất cả đều hội tụ về độ nhớt động học, và độ nhớt ấy nối với động lực qua khối lượng riêng — chỉ cặp này mới có thứ nguyên thật và chuẩn thật.
nước bằng một
kết quả thẳng ra bằng giây
giây Redwood số 1
Trong các phiếu của Simetrium bên cạnh là các cấp độ nhớt dầu ISO VG và SAE, mà phiếu này làm cặp đôi, poazơ và stokes từ hệ CGS, và cả khối lượng riêng tính bằng kg/m³, thiếu nó thì không thể chuyển từ độ nhớt động học sang động lực.
07 · Phần lịch sử
Ba chiếc phễu của ba nước
Carl Engler làm việc trong ngành lọc dầu thô và cần một con số để so các lô hàng đến từ Baku và Pennsylvania. Thiết bị ông ghép từ những gì có sẵn trong phòng thí nghiệm, còn thước đo thì lấy nước, vì nước nằm trong tầm tay mọi đồng nghiệp và không đòi hỏi bảng biểu nào.
Chuyên gia người Anh Boverton Redwood và kĩ sư người Mỹ George Saybolt mỗi người làm chiếc phễu của mình, và không ai chia thời gian cho thời gian của nước: họ cho kết quả thẳng bằng giây. Ý tưởng của ba thiết bị là một, cỡ vòi thì khác nhau, và trong các tranh chấp giữa bên giao và bên mua, từ đó nảy ra ba con số khác nhau cho cùng một toa xitéc.
Khi buôn bán trở nên quốc tế, việc các thang không so được với nhau hóa ra đắt hơn sự tiện lợi của chúng, và tiêu chuẩn chuyển sang độ nhớt động học đo bằng mao quản. DIN 51560 của Đức bị bãi bỏ, ASTM chỉ giữ giây Saybolt như một phép quy đổi tham khảo, còn độ nhớt quy ước theo GOST 6258 còn trụ lại trong thực hành trong nước thêm mấy chục năm.
Ngày nay độ nhớt được đo bằng mao quản hoặc rôto, nhưng các bơm, hộp giảm tốc và hệ dầu nhiên liệu nặng lắp trước bước chuyển vẫn chạy theo biển máy của chúng. Người thợ chỉnh đọc «không đặc hơn 8 °E ở 50 °C» sẽ quy nó thành sáu mươi milimét vuông trên giây rồi chọn dầu theo cấp ISO VG — vậy là đơn vị này sống không phải trong phòng thí nghiệm mà trong giấy tờ.
Thiết bị tự làm chuẩn cho chính mình
Độ Engler không có và không thể có chuẩn theo nghĩa thông thường, bởi định nghĩa không dẫn về một hằng số của tự nhiên mà về một cách bố trí: bình dung tích chừng ấy, vòi cỡ chừng ấy, mỗi lần hai trăm mililít. Vậy nên cái được kiểm định không phải đơn vị mà là thiết bị, và kiểm định bằng nước — chất lỏng duy nhất mà thời gian chảy ra được coi là đã biết. Từ đó mà có cả mặt nghi thức của phép đo: trị số nước mới trước mỗi loạt, ba lần đọc trùng nhau, nhiệt độ của bể được ghi lại.
Chỗ yếu của cách bố trí như vậy lộ ra đúng nơi mà sự tiện lợi của nó lớn nhất. Chừng nào nhà máy còn so các lô của mình trên chiếc phễu của mình, các con số khớp nhau tuyệt vời; nhưng vừa phải so lô của hai nước thì hóa ra chúng chẳng có đại lượng chung — chỉ có ba biên bản, mà giữa chúng không thể có gì hơn một phép quy đổi gần đúng. Nhớt kế mao quản giải được bài toán bằng cách trả lại thứ nguyên cho phép đo: nó cho milimét vuông trên giây, còn hằng số mao quản thì được kiểm với các chất lỏng chuẩn, chứ không phải với quá khứ của chính nó.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và các đại lượng ngoài hệ, thiếu chúng thì kỹ thuật lẫn lịch đều không chạy.