Категорията натечностиобхваща много различни вещества, които могат да бъдат разграничени един от друг по много начини, включително химичен състав, полярност, плътност и така нататък. Друго свойство на течностите е количество, известно катовискозитет.
Какво е вискозитет?
Да предположим, че имате чаша вода и чаша сироп. Когато наливате течности от тези чаши, забелязвате отчетлива разлика в начина на протичане на всяка течност. Водата се излива бързо и лесно, докато сиропът се излива по-бавно. Тази разлика се дължи на разлика във вискозитетите им.
Вискозитетът е мярка за съпротивлението на течността към течността. Може да се разглежда и като мярка за дебелината на течността или нейната устойчивост на предмети, преминаващи през нея. Колкото по-голяма е устойчивостта на поток, толкова по-висок е вискозитетът, така че в предишния пример сиропът има по-висок вискозитет от водата.
Какво причинява вискозитет?
Вискозитетът се причинява от вътрешно триене между молекулите в течност. Представете си течащата течност като състояща се от слоеве, движещи се един спрямо друг. Тези слоеве се търкат един в друг и колкото по-голямо е триенето, толкова по-бавен е потокът (или по-голямата сила, необходима за постигане на поток).
Много фактори могат да повлияят на вискозитета на веществото; сред тях е температурата. Спомнете си, че температурата е мярка за средната кинетична енергия на молекула в дадено вещество. По-високата средна кинетична енергия на молекула води до по-бързо движещи се молекули и следователно по-нисък вискозитет за течностите. Ако например загреете сироп в микровълнова фурна, може да забележите, че той тече по-лесно.
За газовете обаче по-високата температура всъщност ги кара да се „сгъстяват“ и вискозитетът им нараства с температурата. Това е така, защото за газове при ниски температури молекулите рядко се сблъскват или взаимодействат помежду си, докато при по-високи температури има много повече сблъсъци. В резултат на това се увеличава устойчивостта на газовете към поток.
Формата на молекулите в течност също може да повлияе на вискозитета. Закръглените молекули могат да се търкалят една след друга по-лесно, отколкото молекулите с клони и по-неравномерни форми. (Представете си да излеете кофа с топчета навън, отколкото да излеете куп крикове.)
Срязващо напрежение и скорост на срязване
Два фактора, свързани с математическата формулировка на вискозитета, са напрежението на срязване и скоростта на срязване. За да се разбере официалната дефиниция на вискозитета, първо е важно да се разберат дефинициите на тези количества.
Помислете за метода за приближаване на потока на течността като слоеве течност, протичащи един след друг. Ако мислим за течаща течност като тази, напрежението на срязване е силата, изтласкваща един слой през друг, разделена на площта на слоевете. По-формално това може да се посочи като съотношението на силатаFприлага се с площта на напречното сечениеAна материала, който е успореден на приложената сила.
Срязващото напрежение често се обозначава с гръцката буква тауτ, и следователно съответният математически израз е:
\ tau = \ frac {F} {A}
Скоростта на срязване е по същество скоростта, с която флуидните слоеве се движат един след друг. По-формално се определя, както следва:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Където Δvе разликата в скоростта между два слоя, ихе разделянето на слоя.
Нотирането на γ с точката е, защото γ е срязването, а първата производна (скоростта на промяна) на променлива често се обозначава с точка над свързаната променлива. Използвайки смятане, скоростта на непрекъснато срязване ще бъде дадена катоdv / dxвместо това и се нарича също градиент на скоростта.
Видове вискозитет
Вискозитетът се предлага в няколко различни вида. Имадинамиченвискозитет, наричан ощеабсолютновискозитет, който обикновено е вискозитетът, посочен, когато просто се казва „вискозитет“. Но има икинематиченвискозитет, който има малко по-различна математическа формулировка.
Динамичен или абсолютен вискозитет е отношението на напрежението на срязване към скоростта на срязване, както е показано в следното уравнение:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ точка {\ gamma}}
Обща формулировка на тази връзка се нарича уравнение на Нютон и се записва, както следва:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Кинематичният вискозитет се определя като абсолютния вискозитет, разделен на масовата плътност:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Помислете за две течности, които могат да имат еднакъв динамичен вискозитет, но различна плътност на масата. Тези две течности ще се излеят от контейнер с различна скорост под въздействието на гравитацията, тъй като равно количество от всеки ще има различни гравитационни сили, действащи върху тях (пропорционални на техните масите). Кинематичният вискозитет отчита това, като се разделя на масовата плътност и следователно може да се възприема като мярка за съпротивление на потока само под влияние на гравитацията.
Единици за вискозитет
Използвайки единици SI, тъй като напрежението на срязване беше в N / m2 и скоростта на срязване беше в (m / s) / m = 1 / s, тогава динамичният вискозитет има единици Ns / m2 = Pa s (паскал-секунда). Най-често срещаната единица на вискозитет обаче е диновата секунда на квадратен сантиметър (дин s / cm2) където 1 дин = 10-5 Н. Една дина секунда на квадратен сантиметър се нарича aуравновесеностслед френския физиолог Жан Поазейл. Един паскал-секунда е равен на 10 уравновесеност.
Единицата за кинематичен вискозитет SI е просто m2/ s, макар че по-често срещана единица в системата CGS е квадратният сантиметър в секунда, който се нарича сток (St) по ирландски физик Джордж Стоукс.
Типични стойности на вискозитета
Повечето течности имат вискозитет между 1 и 1000 mPa s, докато газовете имат нисък вискозитет, обикновено между 1-10 μPa s. Вискозитетът на водата е около 1.0020 mPa s, докато вискозитетът на кръвта е между 3 и 4 mPa s (придавайки ново значение на поговорката, че кръвта е по-дебела от водата!)
Готварските масла имат вискозитет между около 25 до 100 mPa s, докато моторните масла и машинните масла имат вискозитет от порядъка на няколкостотин mPa s.
Въздухът, който дишате, има вискозитет от около 18 μPa s.
Разтопеното стъкло е една от най-вискозните течности, които има с висок вискозитет, приближаващ се до безкрайност, докато се втвърдява. В точката си на топене вискозитетът на стъклото е около 10 Pa s, докато това се увеличава със коефициент 100 в работната му точка и с коефициент над 1011 в точката му на отгряване.
Нютонови течности
Течността на Newtonion е тази, при която напрежението на срязване е линейно свързано със скоростта на срязване. В такава течност вискозитетът за тази течност е постоянна стойност. (В не-нютонова течност вискозитетът в крайна сметка е динамична функция на друга променлива, като например времето.)
Не е изненадващо, че с течностите Newtonion е по-лесно да се работи и да се моделират. Удобно е, че много често срещани течности са Newtonion за добро сближаване. Някои поведения, които могат да проявяват ненютоновите течности, включват течности, при които вискозитетът се променя със скоростта на срязване, и течности, които стават по-малко или по-вискозни при разклащане, раздвижване или нарушаване.
Водата и въздухът са примери за течности на Нютонион. Примери за не-нютонови течности са боя без капки, някои полимерни разтвори и дори кръв. Една любима нетутонова течност в училище е oobleck - смес от царевично нишесте и вода, която действа почти твърдо, когато се работи бързо, и след това се топи, когато остане сама.
Съвети
Как да си направим oobleck:Смесете 2 части царевично нишесте с 1 част вода. Добавете малко количество оцветител за храна, ако желаете. Опитайте да пробиете разтвора или да го оформите на топка и след това да го оставите да се разтопи в ръцете ви!
Как да измерим вискозитета
Вискозитетът може да се измери по няколко различни начина. Те включват използване на инструменти като вискозиметър или произволен брой експерименти „направи си сам“.
Вискозиметрите се използват най-добре на нютонови течности и са склонни да работят по един от двата начина. Или малък обект се движи през неподвижен флуид, или течността преминава покрай неподвижен обект. Чрез измерване на свързаното съпротивление може да се определи вискозитетът. Капилярните вискозиметри работят чрез определяне на времето, необходимо за определен обем течност да тече през капилярна тръба с определена дължина. Вискозиметрите на падащите топки измерват времето, през което топката пада през проба под въздействието на гравитацията.
За измерване на вискозитета на неньютоновите течности често се използва реометър. Реологията е наименованието на физически клон, който изучава потока на течности и меки твърди вещества и наблюдава как те се деформират. Реометърът позволява да се определят повече променливи при измерване на вискозитета, тъй като не-нютоновите течности нямат постоянни стойности на вискозитета. Двата основни типа реометри сасрязванереометри (които контролират приложеното напрежение на срязване) иекстензивенреометри (които работят въз основа на приложеното външно напрежение на срязване).
Направи си сам измерване на вискозитета
По-долу е описано как можете да измервате вискозитета на течност у дома, като използвате няколко прости материала. За да приложите този метод обаче, първо ще ви е необходим законът на Стокс. Законът на Стокс свързва силата на съпротивлениеFвърху малка сфера, движеща се през вискозен флуид до вискозитета, радиус на сфератаrи терминална скорост на сфератаv, чрез:
F = 6 \ pi \ eta r v
Сега, когато имате този закон, можете да създадете свой собствен падащ топка вискозиметър.
Неща, от които ще се нуждаете
- Владетел
- Спиране на часовника
- Голям градуиран килендер
- Малка топка от мрамор или стомана
- Течност, чийто вискозитет искате да измерите
Изчислете плътността на течността, като претеглите известен обем на течността и разделите нейната маса на обема.
Изчислете плътността на топката, като първо измерите диаметъра й и използвате формулата V = 4 / 3πr3 за изчисляване на обема му. След това претеглете топката и разделете масата на обема.
Измерете крайната скорост на топката, когато тя пада през течността в градуирания цилиндър. В гъста течност мраморът ще достигне постоянна скорост доста бързо. Измервайте времето, през което топката преминава между две маркирани точки на градуирания цилиндър, и след това разделете това разстояние на времето, за да определите скоростта.
Вискозитетът на течността може да се намери, като се използва законът на Стокс и решение за вискозитет:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Където F в този случай е силата на съпротивление. За да определите силата на съпротивление, трябва да напишете уравнението на нетната сила и да решите за него. Уравнението на нетната сила, когато топката е с крайна скорост, е:
F_net = F_b + F - F_g = 0
КъдетоFбе плаваща сила иFже гравитационната сила. Решавайки за F и включвайки изрази, получавате:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
КъдетоVбе обемът на топката,ρбе плътността на топката иρе е плътността на течността.
Следователно формулата за вискозитет става:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Просто включете вашите измерени стойности за радиус на топката, плътност на топката и на флуида и крайната скорост, за да изчислите крайния резултат.