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緩和時間とは?

ポンプ選びをするときには、ポンプで移動させる対象物質の粘度が重要な基準となります。また、対象物質の粘度を理解するためには、緩和時間という概念を理解しておく必要もあります。

ここでは、ポンプ選びに必要な知識として緩和時間について解説しています。

「液体」を理解する上で大事な緩和時間

物質の変形や流動に関する学問分野をレオロジーと言いますが、レオロジーの重要な概念の一つに、「緩和時間」という考え方があります。

緩和時間を正しく定義すると、「系が非平衡から並行に向けて変化する際、その変化に要する時間」のこと。分かりやすい例で理解してみましょう。

たとえば私たちが歩行している際、私たちは空気の分子をどかしながら前進しています。この際、私たちがどかした空気の分子は背後で一瞬乱れ、元の状態(平衡状態)に戻るまでに少しだけ時間を要します。この時間を緩和時間と言います。空気と同じように、液体においても緩和時間は重要な概念となります。

液体の緩和時間は?

液体もまた空気と同様にさまざまな分子で構成されていますが、空気とは異なり、周囲に多くの分子が密集しているため自由に動きまわることができません。そのため、いったん分子の整列を乱された液体は、もとの状態(平衡状態)に戻るまで、空気に比べて長い緩和時間を要します。液体の分子運動が遅ければ遅いほど(粘度が高ければ高いほど)、緩和時間が長くなります。たとえば水道水と水飴を比べた場合、後者のほうが粘度は高いため緩和時間が長くなる、ということはイメージできるでしょう。

ガラスは液体なの?

分子運動が遅ければ遅いほど緩和時間が長くなると説明しましたが、中には、人間の時間感覚では「分子運動してるの?」と思うほど、実にゆっくりとした分子運動で平衡状態に戻ろうとしている液体があります。その代表がガラスです。

窓ガラスに多く利用されているケイ酸ガラスは、性質的には液体ですが、あまりにも分子運動が遅いため、人間の知覚では、まるで固体のようです。何万年後かに平衡状態に戻って形が変わるかどうかは科学的に検証できていませんが、性質上は液体と同様の非結晶構造(固体は結晶構造)です。

ガラスのほかにも、ペットボトルやセラミックス食器、アスファルトなど、固体に見えるにもかかわらず構造が液体である物質は、私たちの身の回りにたくさんあります。

個体と液体の区別

目の前の物質が固体か液体かを区別する基準は、物質の緩和時間の長さとなります。そのため、厳密に言えばガラスは液体に属すると解釈できますが、しかしながら人間の生活や生産活動において、ガラスは固体に含めなければさまざまな不都合が生じることも確かです。

この点について、観察者の時間スケールも加味して「液体に見えるか固体に見えるか」という視点から、レオロジーでは「デボラ数」という単位が設定されています。この単位にしたがえば、ガラスは固体と解釈できるかもしれません。

まとめ

ガラス、およびガラスに類した性質の物質が固体か液体かという議論は、今もなお研究の最前線で結論が出ていないテーマです。一方で生産現場においては、ガラスを固体と解釈しなければ大きな不都合が生じます。

ガラスの例はやや極端ですが、ポンプ選びの際には、対象物の緩和時間に注目することは大切な視点となります。

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