Luokkanesteitäkäsittää monia erilaisia aineita, jotka voidaan erottaa toisistaan monin tavoin, mukaan lukien kemiallinen koostumus, napaisuus, tiheys ja niin edelleen. Toinen nesteiden ominaisuus on määrä, joka tunnetaan nimelläviskositeetti.
Mikä on viskositeetti?
Oletetaan, että sinulla on kuppi vettä ja kuppi siirappia. Kun kaadat nesteitä näistä kupeista, huomaat selvästi eron siitä, miten kukin neste virtaa. Vesi kaataa ulos nopeasti ja helposti, kun taas siirappi kaataa hitaammin. Tämä ero johtuu niiden viskositeettien erosta.
Viskositeetti mittaa nesteen virtauskestävyyttä. Sitä voidaan ajatella myös nesteen paksuuden tai sen kestävyyden mittana sen läpi kulkeville esineille. Mitä suurempi virtausvastus, sitä suurempi viskositeetti, joten edellisessä esimerkissä siirapilla on suurempi viskositeetti kuin vedellä.
Mikä aiheuttaa viskositeettia?
Viskositeetti johtuu nesteen molekyylien välisestä sisäisestä kitkasta. Ajattele virtaavaa nestettä koostuvana kerroksista, jotka liikkuvat toistensa suhteen. Nämä kerrokset hierovat toisiaan vastaan, ja mitä suurempi kitka on, sitä hitaampi virtaus (tai enemmän voimaa tarvitaan virtauksen saavuttamiseksi).
Monet tekijät voivat vaikuttaa aineen viskositeettiin; näiden joukossa on lämpötila. Muistakaamme, että lämpötila on aineen keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti. Suurempi keskimääräinen kineettinen energia molekyyliä kohti johtaa nopeammin liikkuviin molekyyleihin ja siten pienempään nesteiden viskositeettiin. Jos lämmität siirappia esimerkiksi mikroaaltouunissa, saatat huomata, että se virtaa helpommin.
Kaasuille korkeampi lämpötila tosiasiallisesti saa ne "sakeutumaan", ja niiden viskositeetti kasvaa lämpötilan mukana. Tämä johtuu siitä, että matalissa lämpötiloissa olevien kaasujen kohdalla molekyylit törmäävät harvoin tai ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, kun taas korkeammissa lämpötiloissa törmäyksiä on paljon enemmän. Tämän seurauksena kaasujen virtausvastus kasvaa.
Nesteen molekyylien muoto voi myös vaikuttaa viskositeettiin. Pyöreämmät molekyylit voivat vierittää toistensa ohi helpommin kuin oksat ja vähemmän yhtenäiset muodot. (Kuvittele kaatamalla ämpäri marmoreita verrattuna kaatamalla nippu tunkkeja.)
Leikkausjännitys ja leikkausnopeus
Kaksi viskositeetin matemaattiseen formulointiin liittyvää tekijää ovat leikkausjännitys ja leikkausnopeus. Viskositeetin muodollisen määritelmän ymmärtämiseksi on ensin tärkeää ymmärtää näiden määrien määritelmät.
Harkitse menetelmää nestevirtauksen arvioimiseksi nestekerroksina, jotka virtaavat toistensa ohitse. Jos ajattelemme tällaista virtaavaa nestettä, leikkausjännitys on voima, joka työntää yhden kerroksen toisen yli jaettuna kerrosten pinta-alalla. Muodollisemmin tämä voidaan todeta voiman suhteenaFlevitetään poikkileikkausalueen kanssaAmateriaalista, joka on yhdensuuntainen käytetyn voiman kanssa.
Leikkausjännitys on usein merkitty kreikkalaisella kirjaimella tauτja siten vastaava matemaattinen lauseke on:
\ tau = \ frac {F} {A}
Leikkausnopeus on olennaisesti nopeus, jolla nestekerrokset liikkuvat toistensa ohi. Muodollisemmin se määritellään seuraavasti:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Missä Δvon kahden kerroksen nopeusero, jaxon kerroksen erotus.
Y: n merkitseminen pisteellä johtuu siitä, että y on leikkaus, ja muuttujan ensimmäinen johdannainen (muutosnopeus) on usein merkitty pisteellä liitetyn muuttujan yläpuolella. Laskua käyttäen jatkuva leikkausnopeus annettaisiin muodossadv / dxsen sijaan ja sitä kutsutaan myös nopeuden gradientiksi.
Viskositeetin tyypit
Viskositeettia on muutama erilainen tyyppi. Ondynaaminenviskositeetti, jota kutsutaan myösehdotonviskositeetti, joka on yleensä viskositeetti, johon viitataan yksinkertaisesti sanomalla "viskositeetti". Mutta on myöskinemaattinenviskositeetti, jolla on hieman erilainen matemaattinen muotoilu.
Dynaaminen tai absoluuttinen viskositeetti on leikkausjännityksen suhde leikkausnopeuteen seuraavan yhtälön mukaisesti:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Tämän suhteen yleistä muotoilua kutsutaan Newtonin yhtälöksi ja se kirjoitetaan seuraavasti:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinemaattinen viskositeetti määritellään absoluuttisena viskositeetina jaettuna massatiheydellä:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Tarkastellaan kahta nestettä, joilla voi olla sama dynaaminen viskositeetti, mutta erilaiset massatiheydet. Nämä kaksi nestettä kaadetaan säiliöstä eri nopeuksilla painovoiman vaikutuksesta, koska yhtä suurella määrällä kullakin on erilaisia painovoimia, jotka vaikuttavat niihin (verrannollisia niiden voimiin) massat). Kinemaattinen viskositeetti ottaa tämän huomioon jakamalla massatiheydellä, joten sitä voidaan ajatella virtausvastuksen mittana pelkästään painovoiman vaikutuksesta.
Viskositeetin yksiköt
Käyttämällä SI-yksiköitä, koska leikkausjännitys oli N / m2 ja leikkausnopeus oli (m / s) / m = 1 / s, sitten dynaamisella viskositeetilla on yksikköä Ns / m2 = Pa s (pascal-sekunti). Yleisin viskositeettiyksikkö on kuitenkin dyna-sekunti neliösenttimetriä kohden (dyne s / cm2) jossa 1 dyne = 10-5 N. Yksi dyne-sekunti neliösenttimetriä kohden kutsutaan aasenneranskalaisen fysiologin Jean Poiseuillen jälkeen. Yksi pascal-sekunti on yhtä suuri kuin 10 poise.
Kinemaattisen viskositeetin SI-yksikkö on yksinkertaisesti m2/ s, vaikka yleisempi yksikkö CGS-järjestelmässä on neliösenttimetri sekunnissa, jota irlantilaisen fyysikon George Stokesin mukaan kutsutaan stokeiksi (St).
Tyypilliset viskositeettiarvot
Useimpien nesteiden viskositeetit ovat välillä 1 ja 1 000 mPa s, kun taas kaasuilla on matala viskositeetti, yleensä välillä 1-10 μPa s. Veden viskositeetti on noin 1,0020 mPa s, kun taas veren viskositeetti on välillä 3 ja 4 mPa s (mikä antaa uuden merkityksen sanomalle, että veri on vettä paksumpi!)
Ruokaöljyjen viskositeetit ovat noin 25 - 100 mPa s, kun taas moottoriöljyjen ja koneöljyjen viskositeetit ovat luokkaa muutama sata mPa s.
Hengitetyn ilman viskositeetti on noin 18 μPa s.
Sula on yksi viskoosimmista nesteistä, jonka viskositeetti lähestyy ääretöntä, kun se kiinteytyy. Sulamispisteessään lasin viskositeetti on noin 10 Pa s, kun taas se kasvaa kertoimella 100 sen työpisteessä ja kertoimella yli 1011 sen hehkutuskohdassa.
Newtonin nesteet
Newtonionineste on sellainen, jossa leikkausjännitys liittyy lineaarisesti leikkausnopeuteen. Tällaisessa nesteessä kyseisen nesteen viskositeetti on vakioarvo. (Ei-Newtonin nesteessä viskositeetti päätyy toisen muuttujan, kuten ajan, dynaamiseen toimintaan.)
Ei ole yllättävää, että Newtonion-nesteiden kanssa on helpompi työskennellä ja mallintaa. Kätevästi monet tavalliset nesteet ovat Newtonionia hyvässä arvioinnissa. Joitakin käyttäytymisiä, joita ei-Newtonin nesteillä voi esiintyä, ovat nesteitä, joissa viskositeetti muuttuu leikkausnopeuden mukaan, ja nesteitä, joista tulee vähemmän tai enemmän viskooseja ravisteltaessa, sekoittaen tai häiriintyessään.
Vesi ja ilma ovat esimerkkejä Newtonionin nesteistä. Esimerkkejä ei-Newtonin nesteistä ovat tippumaton maali, jotkut polymeeriliuokset ja jopa veri. Yhden luokan koulun suosikki ei-newtonilainen neste on oobleck - maissitärkkelyksen ja veden seos, joka toimii melkein kiinteänä, kun sitä käsitellään nopeasti, ja sitten sulaa, kun se jätetään yksin.
Vinkkejä
Kuinka tehdä oobleck:Sekoita 2 osaa maissitärkkelystä 1 osaan vettä. Lisää pieni määrä elintarvikeväriä haluttaessa. Yritä lävistää liuos tai muodostaa palloksi ja antaa sen sitten sulaa käsissäsi!
Kuinka mitata viskositeettia
Viskositeetti voidaan mitata useilla eri tavoilla. Näitä ovat esimerkiksi sellaisten instrumenttien käyttö kuin viskosimetri tai mikä tahansa määrä DIY-kokeita.
Viskosimetrejä käytetään parhaiten Newtonin nesteissä, ja ne toimivat yleensä kahdella tavalla. Joko pieni esine liikkuu paikallaan olevan nesteen läpi tai neste virtaa paikallaan olevan kohteen ohi. Mittaamalla siihen liittyvä vastus, viskositeetti voidaan määrittää. Kapillaariviskosimetrit toimivat määrittämällä aika, joka tarvitaan tietyn nestemäärän virtaamiseen tietyn pituisen kapillaariputken läpi. Putoavat palloviskosimetrit mittaavat aikaa, jonka pallo putoaa näytteen läpi painovoiman vaikutuksesta.
Muiden kuin Newtonin nesteiden viskositeetin mittaamiseen käytetään usein reometriä. Reologia on fysiikan haara, joka tutkii nesteiden ja pehmeiden kiintoaineiden virtausta ja tarkkailee niiden muodonmuutosta. Reometri sallii useampien muuttujien määrittämisen viskositeettia mitattaessa, koska ei-Newtonin nesteillä ei ole vakioviskositeettiarvoja. Reometrien kaksi päätyyppiä ovatleikkausreometrit (jotka hallitsevat sovellettua leikkausjännitystä) jalaajareometrit (jotka toimivat sovelletun ulkoisen leikkausjännityksen perusteella).
DIY-viskositeetin mittaus
Seuraavassa kuvataan, kuinka voit mitata nesteen viskositeetin kotona muutamalla yksinkertaisella materiaalilla. Tämän menetelmän soveltamiseksi tarvitset kuitenkin ensin Stokesin lain. Stokesin laki viittaa vetovoimaanFpienellä pallolla, joka liikkuu viskoosisen nesteen läpi pallon viskositeettiin, säteen suuntaanrja pallon terminaalinen nopeusv, kautta:
F = 6 \ pi \ eta r v
Nyt kun sinulla on tämä laki, voit luoda oman putoavan pallon viskosimetrin.
Tarvittavat asiat
- Viivotin
- Stop watch
- Suuri asteikkoinen sylinteri
- Pieni marmori- tai teräspallo
- Neste, jonka viskositeetin haluat mitata
Laske nesteen tiheys punnitsemalla tunnettu nesteen tilavuus ja jakamalla sen massa tilavuudella.
Laske pallon tiheys mittaamalla ensin sen halkaisija ja käyttämällä kaavaa V = 4 / 3πr3 sen tilavuuden laskemiseksi. Punnitse sitten pallo ja jaa massa tilavuudella.
Mittaa pallon päätönopeus, kun se putoaa mittasylinterissä olevan nesteen läpi. Paksussa nesteessä marmori saavuttaa vakionopeuden melko nopeasti. Aika, kuinka kauan pallo kulkee kahden sylinterin kahden merkityn pisteen välillä, ja jaa sitten tämä etäisyys nopeuden määrittämiseksi.
Nesteen viskositeetti voidaan löytää käyttämällä Stokesin lakia ja ratkaisemalla viskositeetti:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Missä F tässä tapauksessa on vetovoima. Vetovoiman määrittämiseksi sinun on kirjoitettava nettovoiman yhtälö ja ratkaistava se. Nettovoiman yhtälö, kun pallo on terminaalinopeudella, on:
F_net = F_b + F - F_g = 0
MissäFbon kelluva voima jaFgon painovoima. Ratkaisemalla F ja kytkemällä lausekkeet saat:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
MissäVbon pallon tilavuus,ρbon pallon tiheys jaρf on nesteen tiheys.
Siksi viskositeetin kaavasta tulee:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Kytke vain mittaustulokset pallon säteelle, pallon ja nesteen tiheydelle ja terminaalinopeudelle lopputuloksen laskemiseksi.