Kategorien afvæskeromfatter mange forskellige stoffer, der kan adskilles fra hinanden på adskillige måder, herunder kemisk sammensætning, polaritet, tæthed og så videre. En anden egenskab ved væsker er en mængde kendt somviskositet.
Hvad er viskositet?
Antag at du har en kop vand og en kop sirup. Når du hælder væsker fra disse kopper, bemærker du en tydelig forskel i, hvordan hver væske strømmer. Vandet hældes hurtigt og let ud, mens sirupen hældes langsommere. Denne forskel skyldes en forskel i deres viskositet.
Viskositet er et mål for en væskes strømningsmodstand. Det kan også betragtes som et mål for en væskes tykkelse eller dens modstand mod genstande, der passerer gennem den. Jo større strømningsmodstand, jo højere viskositet, så i det foregående eksempel har sirupen en højere viskositet end vand.
Hvad forårsager viskositet?
Viskositet er forårsaget af intern friktion mellem molekylerne i en væske. Tænk på en flydende væske som består af lag, der bevæger sig i forhold til hinanden. Disse lag gnides mod hinanden, og jo større friktion, desto langsommere strømmer (eller jo mere kraft kræves for at opnå flow).
Mange faktorer kan påvirke et stofs viskositet; blandt disse er temperatur. Husk at temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle i et stof. En højere gennemsnitlig kinetisk energi pr. Molekyle resulterer i hurtigere bevægende molekyler og dermed en lavere viskositet for væsker. Hvis du f.eks. Opvarmer sirup i en mikrobølgeovn, bemærker du måske, at den flyder lettere.
For gasser får en højere temperatur dem faktisk til at "tykne", og deres viskositet stiger med temperaturen. Dette skyldes, at for gasser ved lave temperaturer kolliderer molekylerne sjældent eller interagerer med hinanden, mens der ved højere temperaturer er mange flere kollisioner. Som et resultat øges gassernes modstand mod strømning.
Formen af molekylerne i en væske kan også påvirke viskositeten. Rundere molekyler kan rulle forbi hinanden lettere end molekyler med grene og mindre ensartede former. (Forestil dig at hælde en spand med kugler ud mod at hælde en masse donkere.)
Forskydningsspænding og forskydningshastighed
To faktorer, der vedrører den matematiske formulering af viskositet, er forskydningsspænding og forskydningshastighed. For at forstå den formelle definition af viskositet er det først vigtigt at forstå definitionerne af disse størrelser.
Overvej metoden til tilnærmelse af væskestrøm som lag af væske, der flyder forbi hinanden. Hvis vi tænker på et flydende fluid som dette, er forskydningsspændingen den kraft, der skubber et lag over et andet divideret med arealet af lagene. Mere formelt kan dette angives som forholdet mellem kraftenFpåføres med tværsnitsarealetENaf materialet, der er parallelt med den påførte kraft.
Forskydningsspænding betegnes ofte med det græske bogstav tauτ, og dermed er det tilsvarende matematiske udtryk:
\ tau = \ frac {F} {A}
Forskydningshastighed er i det væsentlige den hastighed, hvormed fluidlagene bevæger sig forbi hinanden. Mere formelt er det defineret som følger:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Hvor Δver forskellen i hastighed mellem to lag, ogxer lagadskillelsen.
Noteringen af γ med prikken er fordi γ er forskydningen, og et første derivat (ændringshastigheden) af en variabel betegnes ofte med en prik over den tilknyttede variabel. Ved hjælp af beregning ville den kontinuerlige forskydningshastighed blive angivet somdv / dxi stedet for og kaldes også hastighedsgradienten.
Typer af viskositet
Viskositet findes i et par forskellige typer. Der erdynamiskviskositet, også kaldetabsolutviskositet, som normalt er den viskositet, der refereres til, når man blot siger "viskositet." Men der er ogsåkinematiskviskositet, som har en lidt anden matematisk formulering.
Dynamisk eller absolut viskositet er forholdet mellem forskydningsspænding og forskydningshastighed, som vist i følgende ligning:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
En almindelig formulering af dette forhold kaldes Newtons ligning og er skrevet som følger:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematisk viskositet defineres som den absolutte viskositet divideret med massefylde:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Overvej to væsker, der kan have den samme dynamiske viskositet, men forskellige massetætheder. Disse to væsker hældes ud af en beholder i forskellige hastigheder under påvirkning af tyngdekraften, fordi en lige store mængder af hver vil have forskellige tyngdekræfter, der virker på dem (proportionalt med deres masser). Den kinematiske viskositet tager dette i betragtning ved at dividere med massedensiteten og kan derfor betragtes som et mål for modstand mod at strømme under indflydelse af tyngdekraften alene.
Enheder af viskositet
Brug af SI-enheder, da forskydningsspænding var i N / m2 og forskydningshastighed var i (m / s) / m = 1 / s, så har dynamisk viskositet enheder på Ns / m2 = Pa s (pascal-sekund). Imidlertid er den mest almindelige viskositetsenhed dyne-sekund pr. Kvadratcentimeter (dyne s / cm2) hvor 1 dyne = 10-5 N. Et dynesekund pr. Kvadratcentimeter kaldes aklarefter den franske fysiolog Jean Poiseuille. Et pascal-sekund er lig med 10 poise.
SI-enheden med kinematisk viskositet er simpelthen m2/ s, selvom en mere almindelig enhed i CGS-systemet er kvadratcentimeteren pr. sekund, der kaldes en stoke (St) efter den irske fysiker George Stokes.
Typiske viskositetsværdier
De fleste væsker har viskositeter mellem 1 og 1.000 mPa s, mens gasser har lav viskositet, normalt mellem 1-10 μPa s. Viskositeten af vand er ca. 1,0020 mPa s, mens viskositeten af blod er mellem 3 og 4 mPa s (giver ny betydning til ordsprog, at blod er tykkere end vand!)
Madolie har viskositeter mellem ca. 25 og 100 mPa s, mens motorolie og maskinolier har viskositeter i størrelsesordenen nogle få hundrede mPa s.
Luften, du indånder, har en viskositet på ca. 18 μPa s.
Smeltet glas er en af de mest tyktflydende væsker, der er med en høj viskositet, der nærmer sig uendelig, når den størkner. Ved dets smeltepunkt er glassets viskositet ca. 10 Pa s, mens dette øges med en faktor på 100 ved dets arbejdspunkt og med en faktor på mere end 1011 ved dets udglødningspunkt.
Newtonske væsker
En Newtonion-væske er en, hvor forskydningsspændingen er lineært relateret til forskydningshastigheden. I en sådan væske er viskositeten for den væske en konstant værdi. (I en ikke-newtonsk væske ender viskositeten med at være en dynamisk funktion af en anden variabel, såsom tid.)
Ikke overraskende er Newtonion-væsker lettere at arbejde med og modellere. Bekvemt er mange almindelige væsker Newtonion til en god tilnærmelse. Nogle opførsler, som ikke-newtonske væsker kan udvise, inkluderer væsker, hvor viskositeten ændres med forskydningshastighed, og væsker, der bliver mindre eller mere tyktflydende, når de rystes, omrøres eller forstyrres.
Vand og luft er eksempler på Newtonion-væsker. Eksempler på ikke-newtonske væsker er maling uden dryp, nogle polymeropløsninger og endda blod. En klasseskolefavorit, der ikke er newtonske, er oobleck - en blanding af majsstivelse og vand, der virker næsten solidt, når det arbejdes hurtigt, og smelter derefter, når det er alene.
Tips
Sådan laver du oobleck:Bland 2 dele majsstivelse til 1 del vand. Tilsæt eventuelt en lille mængde madfarve. Prøv at stanse løsningen eller form den til en kugle og lad den smelte i dine hænder!
Sådan måles viskositet
Viskositet kan måles på flere forskellige måder. Disse inkluderer brug af instrumenter såsom et viskosimeter eller et hvilket som helst antal DIY-eksperimenter.
Viskosimeter anvendes bedst på newtonske væsker og har tendens til at arbejde på en af to måder. Enten bevæger en lille genstand sig gennem en stationær væske, eller så flyder væsken forbi en stationær genstand. Ved at måle den tilhørende træk kan viskositeten bestemmes. Kapillærviskosimeter fungerer ved at bestemme den tid, der kræves for et bestemt væskevolumen at strømme gennem et kapillarrør med en bestemt længde. Faldende kugleviskosimeter måler den tid, det tager for en kugle at falde gennem en prøve under påvirkning af tyngdekraften.
For at måle viskositeten af ikke-newtonske væsker anvendes et reometer ofte. Reologi er navnet på en gren af fysik, der studerer strømmen af væsker og bløde faste stoffer og observerer, hvordan de deformeres. Et reometer giver mulighed for at bestemme flere variabler ved måling af viskositet, da ikke-newtonske væsker ikke har konstante viskositetsværdier. De to hovedtyper af reometre erklippereometre (som styrer den påførte forskydningsspænding) ogforlængelsereometre (som fungerer baseret på anvendt ekstern forskydningsspænding).
DIY viskositetsmåling
Det følgende beskriver, hvordan du kan måle viskositeten af en væske derhjemme ved hjælp af et par enkle materialer. For at kunne anvende denne metode skal du dog først bruge Stokes lov. Stokes lov vedrører trækstyrkenFpå en lille kugle, der bevæger sig gennem en tyktflydende væske til viskositeten, kuglens radiusrog kuglens terminalhastighedv, via:
F = 6 \ pi \ eta r v
Nu hvor du har denne lov, kan du oprette dit eget faldende kugleviscometer.
Ting, du har brug for
- Lineal
- Stop uret
- En stor gradueret cylinder
- En lille kugle af marmor eller stål
- En væske, hvis viskositet du vil måle
Beregn væskens densitet ved at veje et kendt volumen af væsken og dividere dens masse med volumen.
Beregn kuglens tæthed ved først at måle dens diameter og bruge formlen V = 4 / 3πr3 at beregne dens volumen. Vej derefter kuglen, og del massen med volumen.
Mål kuglens terminalhastighed, når den falder gennem væsken i den graduerede cylinder. I en tyk væske når marmoren en hurtig hastighed temmelig hurtigt. Tid, hvor lang tid det tager for bolden at passere mellem to markerede punkter på den graduerede cylinder, og del derefter afstanden med tiden for at bestemme hastigheden.
Viskositeten af væsken kan findes ved hjælp af Stokes lov og løsning for viskositet:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Hvor F i dette tilfælde er trækkraften. For at bestemme trækstyrken skal du skrive nettokraftligningen og løse den. Nettokraftligningen, når bolden er ved terminalhastighed, er:
F_net = F_b + F - F_g = 0
HvorFber flydende kraft ogFger tyngdekraften. Løsning for F og tilslutning af udtryk får du:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
HvorVber boldens volumen,ρber tætheden af bolden ogρf er densiteten af væsken.
Derfor bliver formlen for viskositet:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Tilslut dine målte værdier for kuglens radius, kuglens og væskens tæthed og terminalhastigheden for at beregne det endelige resultat.