Die Kategorie vonFlüssigkeitenumfasst viele verschiedene Substanzen, die auf vielfältige Weise voneinander unterschieden werden können, einschließlich chemischer Zusammensetzung, Polarität, Dichte usw. Eine weitere Eigenschaft von Flüssigkeiten ist eine Größe, die als. bekannt istViskosität.
Was ist Viskosität?
Angenommen, Sie haben eine Tasse Wasser und eine Tasse Sirup. Wenn Sie die Flüssigkeiten aus diesen Bechern einschenken, bemerken Sie einen deutlichen Unterschied in der Art und Weise, wie jede Flüssigkeit fließt. Das Wasser fließt schnell und einfach aus, während der Sirup langsamer fließt. Dieser Unterschied ist auf einen Unterschied in ihren Viskositäten zurückzuführen.
Die Viskosität ist ein Maß für den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit. Es kann auch als Maß für die Dicke einer Flüssigkeit oder ihren Widerstand gegen hindurchtretende Objekte angesehen werden. Je größer der Fließwiderstand, desto höher die Viskosität, so dass im vorherigen Beispiel der Sirup eine höhere Viskosität als Wasser hat.
Was verursacht Viskosität?
Viskosität wird durch innere Reibung zwischen den Molekülen in einer Flüssigkeit verursacht. Stellen Sie sich eine fließende Flüssigkeit vor, die aus Schichten besteht, die sich relativ zueinander bewegen. Diese Schichten reiben aneinander, und je größer die Reibung, desto langsamer die Strömung (oder desto mehr Kraft ist erforderlich, um eine Strömung zu erreichen).
Viele Faktoren können die Viskosität einer Substanz beeinflussen; darunter ist die Temperatur. Denken Sie daran, dass die Temperatur ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül in einer Substanz ist. Eine höhere durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül führt zu sich schneller bewegenden Molekülen und damit zu einer geringeren Viskosität für Flüssigkeiten. Wenn Sie Sirup zum Beispiel in einer Mikrowelle erwärmen, werden Sie vielleicht feststellen, dass er leichter fließt.
Bei Gasen führt eine höhere Temperatur jedoch dazu, dass sie „verdicken“ und ihre Viskosität mit der Temperatur steigt. Dies liegt daran, dass bei Gasen bei niedrigen Temperaturen die Moleküle selten kollidieren oder miteinander interagieren, während es bei höheren Temperaturen viel mehr Kollisionen gibt. Dadurch erhöht sich der Strömungswiderstand der Gase.
Auch die Form der Moleküle in einer Flüssigkeit kann die Viskosität beeinflussen. Rundere Moleküle können leichter aneinander vorbeirollen als Moleküle mit Verzweigungen und weniger einheitlichen Formen. (Stellen Sie sich vor, Sie gießen einen Eimer Murmeln aus, anstatt einen Haufen Buben zu gießen.)
Scherspannung und Scherrate
Zwei Faktoren, die sich auf die mathematische Formulierung der Viskosität beziehen, sind die Scherspannung und die Schergeschwindigkeit. Um die formale Definition der Viskosität zu verstehen, ist es zunächst wichtig, die Definitionen dieser Größen zu verstehen.
Betrachten Sie die Methode der Annäherung eines Flüssigkeitsstroms als aneinander vorbeiströmende Flüssigkeitsschichten. Wenn wir uns eine solche strömende Flüssigkeit vorstellen, ist die Schubspannung die Kraft, die eine Schicht über eine andere drückt, geteilt durch die Fläche der Schichten. Formaler kann dies als Verhältnis der KraftFangewendet mit der QuerschnittsflächeEINdes Materials parallel zur aufgebrachten Kraft.
Schubspannung wird oft mit dem griechischen Buchstaben tau. bezeichnetτ, und daher lautet der entsprechende mathematische Ausdruck:
\tau = \frac{F}{A}
Die Schergeschwindigkeit ist im Wesentlichen die Geschwindigkeit, mit der sich die Flüssigkeitsschichten aneinander vorbeibewegen. Formaler wird es wie folgt definiert:
\dot{\gamma}=\frac{\Updelta v}{x}
Wovder Geschwindigkeitsunterschied zwischen zwei Schichten ist undxist die Schichttrennung.
Die Schreibweise von γ mit dem Punkt liegt daran, dass γ die Scherung ist und eine erste Ableitung (die Änderungsrate) einer Variablen oft mit einem Punkt über der zugehörigen Variablen bezeichnet wird. Unter Verwendung der Infinitesimalrechnung würde die kontinuierliche Scherrate alsdv/dxstatt und wird auch als Geschwindigkeitsgradient bezeichnet.
Viskositätsarten
Viskosität gibt es in ein paar verschiedenen Arten. Es gibtdynamischViskosität, auch genanntabsolutViskosität, die normalerweise die Viskosität ist, auf die sich einfach bezieht, wenn man „Viskosität“ sagt. Aber es gibt auchKinematikViskosität, die eine etwas andere mathematische Formulierung hat.
Die dynamische oder absolute Viskosität ist das Verhältnis von Schubspannung zu Schergeschwindigkeit, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:
\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}}
Eine gebräuchliche Formulierung dieser Beziehung wird als Newton-Gleichung bezeichnet und lautet wie folgt:
\frac{F}{A} = \eta \frac{\Updelta v}{x}
Die kinematische Viskosität ist definiert als die absolute Viskosität geteilt durch die Massendichte:
\nu = \frac{\eta}{\rho}
Betrachten Sie zwei Flüssigkeiten, die möglicherweise die gleiche dynamische Viskosität, aber unterschiedliche Massendichten haben. Diese beiden Flüssigkeiten fließen unter dem Einfluss der Schwerkraft unterschiedlich schnell aus einem Behälter, weil gleiche Menge von jedem wirken unterschiedliche Gravitationskräfte auf sie (proportional zu ihren Massen). Die kinematische Viskosität berücksichtigt dies durch Division durch die Massendichte und kann somit als Maß für den Strömungswiderstand allein unter dem Einfluss der Schwerkraft betrachtet werden.
Viskositätseinheiten
Unter Verwendung von SI-Einheiten, da die Schubspannung in N/m. angegeben wurde2 und Schergeschwindigkeit in (m/s)/m = 1/s war, dann hat die dynamische Viskosität die Einheiten Ns/m2 = Pa s (Pascal-Sekunde). Die gebräuchlichste Einheit der Viskosität ist jedoch die Dyn-Sekunde pro Quadratzentimeter (Dyne s/cm2) wobei 1 Dyn = 10-5 N. Eine Dyn-Sekunde pro Quadratzentimeter heißt aHaltungnach dem französischen Physiologen Jean Poiseuille. Eine Pascal-Sekunde entspricht 10 Poise.
Die SI-Einheit der kinematischen Viskosität ist einfach m2/s, obwohl eine häufigere Einheit im CGS-System der Quadratzentimeter pro Sekunde ist, der nach dem irischen Physiker George Stokes als Stoke (St) bezeichnet wird.
Typische Viskositätswerte
Die meisten Flüssigkeiten haben Viskositäten zwischen 1 und 1.000 mPa s, während Gase eine niedrige Viskosität haben, normalerweise zwischen 1-10 μPa s. Die Viskosität von Wasser beträgt etwa 1,0020 mPa s, während die Viskosität von Blut zwischen 3 und 4 mPa s liegt (was dem Sprichwort, dass Blut dicker als Wasser ist, eine neue Bedeutung verleiht!)
Speiseöle haben Viskositäten zwischen etwa 25 bis 100 mPa s, während Motorenöle und Maschinenöle Viskositäten in der Größenordnung von einigen hundert mPa s aufweisen.
Die Atemluft hat eine Viskosität von etwa 18 μPa s.
Geschmolzenes Glas ist eine der viskosesten Flüssigkeiten mit einer hohen Viskosität, die sich beim Erstarren der Unendlichkeit nähert. Am Schmelzpunkt beträgt die Viskosität von Glas ca. 10 Pa s, während sich diese am Arbeitspunkt um den Faktor 100 und um den Faktor mehr als 10. erhöht11 an seinem Glühpunkt.
Newtonsche Flüssigkeiten
Eine Newtonion-Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, bei der die Scherspannung linear mit der Schergeschwindigkeit zusammenhängt. In einem solchen Fluid ist die Viskosität für dieses Fluid ein konstanter Wert. (In einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit ist die Viskosität schließlich eine dynamische Funktion einer anderen Variablen wie der Zeit.)
Es überrascht nicht, dass Newtonion-Flüssigkeiten einfacher zu bearbeiten und zu modellieren sind. Praktischerweise sind viele gängige Flüssigkeiten in guter Näherung Newtonion. Einige Verhaltensweisen, die nicht-Newtonsche Flüssigkeiten aufweisen können, umfassen Flüssigkeiten, bei denen sich die Viskosität mit der Scherrate ändert, und Flüssigkeiten, die beim Schütteln, Rühren oder Aufrühren weniger oder mehr viskos werden.
Wasser und Luft sind Beispiele für Newtonion-Flüssigkeiten. Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten sind tropffreie Farbe, einige Polymerlösungen und sogar Blut. Eine beliebte nicht-newtonsche Flüssigkeit in der Grundschule ist Oobleck – eine Mischung aus Maisstärke und Wasser, die bei schneller Verarbeitung fast fest wirkt und dann schmilzt, wenn sie in Ruhe gelassen wird.
Tipps
Wie man Oobleck macht:Mischen Sie 2 Teile Maisstärke mit 1 Teil Wasser. Fügen Sie nach Belieben eine kleine Menge Lebensmittelfarbe hinzu. Versuchen Sie, die Lösung zu stanzen oder zu einer Kugel zu formen und sie dann in Ihren Händen schmelzen zu lassen!
Viskosität messen
Die Viskosität kann auf verschiedene Weise gemessen werden. Dazu gehören der Einsatz von Instrumenten wie einem Viskosimeter oder jede Menge DIY-Experimente.
Viskosimeter werden am besten für Newtonsche Flüssigkeiten verwendet und neigen dazu, auf zwei Arten zu arbeiten. Entweder bewegt sich ein kleines Objekt durch ein stehendes Fluid oder das Fluid strömt an einem stehenden Objekt vorbei. Durch Messung des zugehörigen Widerstandes kann die Viskosität bestimmt werden. Kapillarviskosimeter arbeiten, indem sie die Zeit bestimmen, die ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen benötigt, um durch ein Kapillarrohr einer bestimmten Länge zu fließen. Kugelfallviskosimeter messen die Zeit, die eine Kugel benötigt, um unter dem Einfluss der Schwerkraft durch eine Probe zu fallen.
Um die Viskosität von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zu messen, wird oft ein Rheometer verwendet. Rheologie ist der Name eines Teilgebiets der Physik, das die Strömung von Flüssigkeiten und weichen Festkörpern untersucht und beobachtet, wie sie sich verformen. Ein Rheometer ermöglicht die Bestimmung von mehr Variablen bei der Messung der Viskosität, da nicht-Newtonsche Flüssigkeiten keine konstanten Viskositätswerte aufweisen. Die zwei Haupttypen von Rheometern sindscherenRheometer (die die angelegte Schubspannung kontrollieren) unddehnbarRheometer (die basierend auf angelegter externer Scherspannung arbeiten).
DIY Viskositätsmessung
Im Folgenden wird beschrieben, wie Sie mit wenigen einfachen Materialien die Viskosität einer Flüssigkeit zu Hause messen können. Um diese Methode anwenden zu können, benötigen Sie jedoch zunächst das Stokes-Gesetz. Das Stokes-Gesetz bezieht sich auf die WiderstandskraftFauf einer kleinen Kugel, die sich durch eine viskose Flüssigkeit bewegt, bis zur Viskosität, Radius der Kugelrund Endgeschwindigkeit der Kugelv, über:
F = 6\pi\eta r v
Jetzt, da Sie dieses Gesetz kennen, können Sie Ihr eigenes Kugelfall-Viskosimeter erstellen.
Dinge, die du brauchen wirst
- Herrscher
- Stoppuhr
- Ein großer abgestufter Zylinder
- Eine kleine Marmor- oder Stahlkugel
- Eine Flüssigkeit, deren Viskosität Sie messen möchten
Berechnen Sie die Dichte der Flüssigkeit, indem Sie ein bekanntes Volumen der Flüssigkeit wiegen und ihre Masse durch das Volumen teilen.
Berechnen Sie die Dichte der Kugel, indem Sie zuerst ihren Durchmesser messen und die Formel V = 4/3πr. verwenden3 sein Volumen zu berechnen. Dann wiegen Sie die Kugel und teilen die Masse durch das Volumen.
Messen Sie die Endgeschwindigkeit der Kugel, während sie durch die Flüssigkeit im Messzylinder fällt. In einer dicken Flüssigkeit erreicht die Murmel ziemlich schnell eine konstante Geschwindigkeit. Zeit, wie lange die Kugel zwischen zwei markierten Punkten auf dem Messzylinder braucht, und dann diese Strecke durch die Zeit teilen, um die Geschwindigkeit zu bestimmen.
Die Viskosität des Fluids kann mit dem Stokes'schen Gesetz ermittelt und nach Viskosität aufgelöst werden:
\eta = \frac{F}{6\pi rv}
Wobei F in diesem Fall die Widerstandskraft ist. Um die Widerstandskraft zu bestimmen, müssen Sie die Nettokraftgleichung schreiben und danach auflösen. Die Nettokraftgleichung bei Endgeschwindigkeit des Balls lautet:
F_net = F_b + F - F_g = 0
WoFbist Auftrieb undFGist die Gravitationskraft. Wenn Sie nach F auflösen und Ausdrücke einfügen, erhalten Sie:
F = F_g - F_b = \rho_bV_bg-\rho_fV_bg = 4/3\pi r^3(\rho_b-\rho_f)
WoVbist das Volumen der Kugel,ρbist die Dichte der Kugel undρf ist die Dichte der Flüssigkeit.
Daher lautet die Formel für die Viskosität:
\eta = \frac{2r^2g(\rho_b-\rho_f)}{9v}
Geben Sie einfach Ihre gemessenen Werte für den Radius der Kugel, die Dichte der Kugel und der Flüssigkeit sowie die Endgeschwindigkeit ein, um das Endergebnis zu berechnen.