Kategorietekutinyzahrnuje mnoho různých látek, které lze navzájem odlišit mnoha způsoby, včetně chemického složení, polarity, hustoty atd. Další vlastností tekutin je množství známé jakoviskozita.
Co je to viskozita?
Předpokládejme, že máte šálek vody a šálek sirupu. Když naléváte kapaliny z těchto šálků, zjistíte výrazný rozdíl v tom, jak každá kapalina proudí. Voda vylévá rychle a snadno, zatímco sirup se vylévá pomaleji. Tento rozdíl je způsoben rozdílem v jejich viskozitách.
Viskozita je měřítkem odporu kapaliny proti proudění. Lze jej také považovat za míru tloušťky kapaliny nebo její odolnosti vůči předmětům, které jí procházejí. Čím větší je odpor proti proudění, tím vyšší je viskozita, takže v předchozím příkladu má sirup vyšší viskozitu než voda.
Co způsobuje viskozitu?
Viskozita je způsobena vnitřním třením mezi molekulami v tekutině. Představte si, že tekoucí tekutina sestává z vrstev, které se navzájem pohybují. Tyto vrstvy se o sebe třou a čím větší tření, tím pomalejší tok (nebo větší síla potřebná k dosažení toku).
Viskozitu látky může ovlivnit mnoho faktorů; mezi nimi je teplota. Připomeňme, že teplota je měřítkem průměrné kinetické energie na molekulu v látce. Vyšší průměrná kinetická energie na molekulu má za následek rychle se pohybující molekuly, a tudíž nižší viskozitu pro kapaliny. Pokud například zahříváte sirup v mikrovlnné troubě, můžete si všimnout, že teče snadněji.
U plynů však vyšší teplota ve skutečnosti způsobí jejich „zahuštění“ a jejich viskozita se s teplotou zvyšuje. Je to proto, že u plynů při nízkých teplotách molekuly zřídka kolidují nebo na sebe vzájemně působí, zatímco při vyšších teplotách dochází ke kolizím mnohem více. Výsledkem je zvýšení odolnosti plynů vůči proudění.
Tvar molekul v tekutině může také ovlivnit viskozitu. Zaoblenější molekuly se mohou kolem sebe snášet snadněji než molekuly s větvemi a méně jednotnými tvary. (Představte si, že vylijete kbelík kuliček proti tomu, jak vylijete hromadu zvedáků.)
Smykové napětí a smyková rychlost
Dva faktory, které se vztahují k matematické formulaci viskozity, jsou smykové napětí a smyková rychlost. Abychom pochopili formální definici viskozity, je nejprve důležité porozumět definicím těchto veličin.
Zvažte metodu aproximace toku tekutiny jako vrstvy tekutiny tekoucí kolem sebe. Pokud uvažujeme o tekoucí tekutině, jako je tato, smykové napětí je síla tlačící jednu vrstvu přes druhou dělenou plochou vrstev. Více formálně to lze konstatovat jako poměr sílyFaplikován s plochou průřezuAmateriálu, který je rovnoběžný s aplikovanou silou.
Smykové napětí je často označováno řeckým písmenem tauτ, a tudíž odpovídající matematický výraz je:
\ tau = \ frac {F} {A}
Rychlost smyku je v podstatě rychlost, kterou se vrstvy tekutiny pohybují kolem sebe. Formálněji je definována takto:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Kde Δprotije rozdíl v rychlosti mezi dvěma vrstvami aXje separace vrstev.
Zápis γ s tečkou je proto, že γ je smykové napětí a první derivace (rychlost změny) proměnné se často označuje tečkou nad přidruženou proměnnou. Při použití kalkulu by byla spojitá smyková rychlost dána jakodv / dxmísto toho a je také označován jako gradient rychlosti.
Druhy viskozity
Viskozita má několik různých typů. Tady jedynamickýviskozita, nazývaná takéabsolutníviskozita, což je obvykle viskozita, na kterou se odkazuje, když se řekne „viskozita“. Ale existuje takékinematickýviskozita, která má mírně odlišné matematické složení.
Dynamická nebo absolutní viskozita je poměr smykového napětí ke smykové rychlosti, jak ukazuje následující rovnice:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Běžná formulace tohoto vztahu se nazývá Newtonova rovnice a je napsána následovně:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematická viskozita je definována jako absolutní viskozita dělená hmotnostní hustotou:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Vezměme si dvě tekutiny, které mohou mít stejnou dynamickou viskozitu, ale různé hustoty hmoty. Tyto dvě tekutiny se budou vylévat z nádoby různými rychlostmi pod vlivem gravitace, protože stejné množství každého z nich bude mít různé gravitační síly působící na ně (úměrné jejich) masy). Kinematická viskozita to bere v úvahu vydělením hmotnostní hustotou, a proto ji lze považovat za míru odporu proti proudění pouze vlivem gravitace.
Jednotky viskozity
Použitím jednotek SI, protože smykové napětí bylo v N / m2 a smyková rychlost byla v (m / s) / m = 1 / s, pak má dynamická viskozita jednotky Ns / m2 = Pa s (pascal-sekunda). Nejběžnější jednotkou viskozity je však dynasekunda na centimetr čtvereční (dyn s / cm2) kde 1 dyn = 10-5 N. Jedna dynasekunda na centimetr čtvereční se nazývá avisetpo francouzském fyziologovi Jean Poiseuille. Jedna pascal-sekunda se rovná 10 poise.
Jednotka SI kinematické viskozity je jednoduše m2/ s, ačkoli běžnější jednotkou v systému CGS je čtvereční centimetr za sekundu, který se po irském fyzikovi Georgovi Stokesovi nazývá stoke (St).
Typické hodnoty viskozity
Většina kapalin má viskozitu mezi 1 a 1 000 mPa s, zatímco plyny mají nízkou viskozitu, obvykle mezi 1 - 10 μPa s. Viskozita vody je asi 1,0020 mPa s, zatímco viskozita krve je mezi 3 a 4 mPa s (nový význam říká, že krev je silnější než voda!)
Oleje na vaření mají viskozitu mezi přibližně 25 až 100 mPa s, zatímco motorový olej a strojní oleje mají viskozitu řádově několik stovek mPa s.
Vzduch, který dýcháte, má viskozitu asi 18 μPa s.
Roztavené sklo je jednou z nejviskóznějších kapalin s vysokou viskozitou blížící se nekonečnu, když tuhne. V okamžiku jeho tání je viskozita skla asi 10 Pa s, přičemž se zvyšuje o faktor 100 v jeho pracovním bodě a o faktor více než 1011 v jeho žíhacím bodě.
Newtonovské tekutiny
Newtonionova tekutina je kapalina, ve které smykové napětí lineárně souvisí se smykovou rychlostí. V takové tekutině je viskozita pro tuto tekutinu konstantní hodnotou. (V nenewtonovské tekutině končí viskozita jako dynamická funkce jiné proměnné, například času.)
Není divu, že s Newtonionovými tekutinami se pracuje a modeluje snadněji. Pohodlně je mnoho běžných tekutin Newtonion s dobrou aproximací. Některá chování, která mohou vykazovat nenewtonovské tekutiny, zahrnují tekutiny, u nichž se viskozita mění s rychlostí střihu, a tekutiny, které se stávají méně nebo více viskózními při otřesení, míchání nebo narušení.
Voda a vzduch jsou příklady Newtonionových tekutin. Příkladem nenewtonských tekutin je kapající barva, některé polymerní roztoky a dokonce i krev. Jednou z nejoblíbenějších nenewtonských tekutin na škole je oobleck - směs kukuřičného škrobu a vody, která při rychlé práci působí téměř pevně a poté, co zůstane sama, se roztaví.
Tipy
Jak udělat oobleck:Smíchejte 2 díly kukuřičného škrobu s 1 dílem vody. Podle potřeby přidejte malé množství potravinářského barviva. Zkuste roztok udeřit nebo zformovat do koule a nechat ji rozpustit ve vašich rukou!
Jak měřit viskozitu
Viskozitu lze měřit několika různými způsoby. Patří mezi ně použití nástrojů, jako je viskozimetr, nebo libovolný počet DIY experimentů.
Viskozimetry se nejlépe používají na newtonovské tekutiny a mají tendenci pracovat jedním ze dvou způsobů. Buď se malý objekt pohybuje stacionární tekutinou, nebo tekutina proudí kolem stacionárního objektu. Měřením souvisejícího odporu lze určit viskozitu. Kapilární viskozimetry fungují tak, že určují čas potřebný pro průchod určitého objemu tekutiny kapilární trubicí určité délky. Viskozimetry s padajícími kuličkami měří čas potřebný k tomu, aby míč propadl vzorkem pod vlivem gravitace.
K měření viskozity nenewtonských kapalin se často používá reometr. Reologie je název oboru fyziky, který studuje tok tekutin a měkkých pevných látek a sleduje, jak se deformují. Reometr umožňuje stanovení více proměnných při měření viskozity, protože nenewtonské tekutiny nemají konstantní hodnoty viskozity. Dva hlavní typy reometrů jsoustříhatreometry (které řídí aplikované smykové napětí) aextenzníreometry (které fungují na základě aplikovaného vnějšího smykového napětí).
DIY měření viskozity
Následující text popisuje, jak můžete měřit viskozitu kapaliny doma pomocí několika jednoduchých materiálů. Abyste však mohli tuto metodu použít, budete nejprve potřebovat Stokesův zákon. Stokesův zákon souvisí s odporovou silouFna malé kouli pohybující se přes viskózní tekutinu k viskozitě, poloměru koulera konečná rychlost kouleproti, přes:
F = 6 \ pi \ eta r v
Nyní, když máte tento zákon, můžete si vytvořit vlastní viskozimetr s padající koulí.
Věci, které budete potřebovat
- Pravítko
- Stopky
- Velký odměrný válec
- Malá kulička z mramoru nebo oceli
- Kapalina, jejíž viskozitu chcete měřit
Vypočítejte hustotu kapaliny zvážením známého objemu kapaliny a dělením její hmotnosti objemem.
Vypočítejte hustotu koule tak, že nejprve změříte její průměr a použijete vzorec V = 4 / 3πr3 vypočítat jeho objem. Poté zvážte míč a vydělte hmotu objemem.
Změřte konečnou rychlost koule, jak propadává kapalinou v odměrném válci. V husté tekutině dosáhne mramor poměrně rychle konstantní rychlosti. Čas, jak dlouho trvá, než míč projde mezi dvěma vyznačenými body na odměrném válci, a poté tuto vzdálenost vydělíte časem, abyste určili rychlost.
Viskozitu kapaliny lze zjistit pomocí Stokesova zákona a řešení viskozity:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Kde F je v tomto případě tažná síla. Chcete-li určit tažnou sílu, musíte napsat rovnici čisté síly a vyřešit ji. Rovnice čisté síly, když je míč na konečné rychlosti, je:
F_net = F_b + F - F_g = 0
KdeFbje vztlaková síla aFGje gravitační síla. Řešení pro F a připojení výrazů získáte:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
KdePROTIbje objem koule,ρbje hustota koule aρF je hustota kapaliny.
Vzorec pro viskozitu se tedy stává:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Jednoduše připojte naměřené hodnoty pro poloměr koule, hustotu koule a kapaliny a konečnou rychlost pro výpočet konečného výsledku.