की श्रेणीतरल पदार्थकई अलग-अलग पदार्थों को शामिल करता है जिन्हें रासायनिक संरचना, ध्रुवता, घनत्व आदि सहित कई तरीकों से एक दूसरे से अलग किया जा सकता है। द्रवों का एक अन्य गुण मात्रा है जिसे के रूप में जाना जाता हैश्यानता.
चिपचिपापन क्या है?
मान लीजिए आपके पास एक कप पानी और एक कप चाशनी है। जब आप इन कपों से तरल पदार्थ डालते हैं, तो आप प्रत्येक तरल के प्रवाह में एक अलग अंतर देखते हैं। पानी जल्दी और आसानी से निकल जाता है जबकि चाशनी अधिक धीरे-धीरे निकलती है। यह अंतर उनकी चिपचिपाहट में अंतर के कारण है।
चिपचिपापन एक तरल पदार्थ के प्रवाह के प्रतिरोध का एक उपाय है। इसे तरल पदार्थ की मोटाई या इसके माध्यम से गुजरने वाली वस्तुओं के प्रतिरोध के माप के रूप में भी माना जा सकता है। प्रवाह का प्रतिरोध जितना अधिक होगा, चिपचिपापन उतना ही अधिक होगा, इसलिए पिछले उदाहरण में, सिरप में पानी की तुलना में अधिक चिपचिपापन होता है।
चिपचिपाहट का कारण क्या है?
चिपचिपापन एक तरल पदार्थ में अणुओं के बीच आंतरिक घर्षण के कारण होता है। एक बहने वाले तरल पदार्थ के बारे में सोचें जो एक दूसरे के संबंध में चलती परतों से मिलकर बना हो। ये परतें एक दूसरे के खिलाफ रगड़ती हैं, और जितना अधिक घर्षण होता है, प्रवाह धीमा होता है (या प्रवाह को प्राप्त करने के लिए जितना अधिक बल की आवश्यकता होती है)।
कई कारक किसी पदार्थ की चिपचिपाहट को प्रभावित कर सकते हैं; इनमें से तापमान है। याद रखें कि तापमान किसी पदार्थ में प्रति अणु औसत गतिज ऊर्जा का माप है। प्रति अणु एक उच्च औसत गतिज ऊर्जा के परिणामस्वरूप तेजी से चलने वाले अणु होते हैं और इसलिए तरल पदार्थों के लिए कम चिपचिपाहट होती है। उदाहरण के लिए, यदि आप माइक्रोवेव में सिरप को गर्म करते हैं, तो आप देख सकते हैं कि यह अधिक आसानी से बहता है।
गैसों के लिए, हालांकि, एक उच्च तापमान वास्तव में उन्हें "गाढ़ा" करने का कारण बनता है और तापमान के साथ उनकी चिपचिपाहट बढ़ जाती है। इसका कारण यह है कि कम तापमान पर गैसों के लिए, अणु शायद ही कभी आपस में टकराते हैं या परस्पर क्रिया करते हैं, जबकि उच्च तापमान पर कई और टकराव होते हैं। नतीजतन, प्रवाह के लिए गैसों का प्रतिरोध बढ़ जाता है।
द्रव में अणुओं का आकार चिपचिपाहट को भी प्रभावित कर सकता है। राउंडर अणु शाखाओं और कम समान आकृतियों वाले अणुओं की तुलना में एक दूसरे से अधिक आसानी से लुढ़क सकते हैं। (कल्पना कीजिए कि मार्बल्स की एक बाल्टी बाहर डालना बनाम जैक का एक गुच्छा डालना।)
कतरनी तनाव और कतरनी दर
श्यानता के गणितीय सूत्रीकरण से संबंधित दो कारक अपरूपण प्रतिबल और अपरूपण दर हैं। चिपचिपाहट की औपचारिक परिभाषा को समझने के लिए, पहले इन मात्राओं की परिभाषाओं को समझना महत्वपूर्ण है।
द्रव प्रवाह को एक दूसरे से बहने वाले द्रव की परतों के रूप में अनुमानित करने की विधि पर विचार करें। अगर हम इस तरह बहने वाले तरल पदार्थ के बारे में सोचते हैं, तो कतरनी तनाव परतों के क्षेत्र से विभाजित एक परत को दूसरी परत में धकेलने वाला बल है। अधिक औपचारिक रूप से, इसे बल के अनुपात के रूप में कहा जा सकता हैएफक्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र के साथ लागू किया गयाएउस सामग्री का जो लागू बल के समानांतर है।
कतरनी तनाव को अक्सर ग्रीक अक्षर ताऊ से दर्शाया जाता हैτ, और इसलिए संबंधित गणितीय व्यंजक है:
\tau = \frac{F}{A}
कतरनी दर अनिवार्य रूप से वह दर है जिस पर द्रव की परतें एक दूसरे से आगे बढ़ रही हैं। अधिक औपचारिक रूप से इसे निम्नानुसार परिभाषित किया गया है:
\dot{\gamma}=\frac{\Delta v}{x}
जहांवीदो परतों के बीच वेग में अंतर है, औरएक्सपरत पृथक्करण है।
बिंदु के साथ का संकेतन इसलिए है क्योंकि कतरनी है, और एक चर के पहले व्युत्पन्न (परिवर्तन की दर) को अक्सर संबंधित चर के ऊपर एक बिंदु के साथ दर्शाया जाता है। कलन का प्रयोग करते हुए, सतत अपरूपण दर इस प्रकार दी जाएगीडीवी/डीएक्सइसके बजाय और इसे वेग ढाल के रूप में भी जाना जाता है।
चिपचिपाहट के प्रकार
चिपचिपापन कुछ अलग प्रकारों में आता है। यहां हैगतिशीलचिपचिपापन, जिसे भी कहा जाता हैपूर्णचिपचिपाहट, जिसे आमतौर पर "चिपचिपापन" कहने पर संदर्भित चिपचिपाहट होती है। लेकिन वहाँ भी हैकीनेमेटीक्स काचिपचिपाहट, जिसमें थोड़ा अलग गणितीय सूत्रीकरण है।
गतिशील या निरपेक्ष श्यानता अपरूपण प्रतिबल से अपरूपण दर का अनुपात है, जैसा कि निम्नलिखित समीकरण में दिखाया गया है:
\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}}
इस संबंध के एक सामान्य सूत्रीकरण को न्यूटन का समीकरण कहा जाता है और इसे इस प्रकार लिखा जाता है:
\frac{F}{A} = \eta \frac{\Delta v}{x}
काइनेमेटिक चिपचिपाहट को द्रव्यमान घनत्व से विभाजित निरपेक्ष चिपचिपाहट के रूप में परिभाषित किया गया है:
\nu = \frac{\eta}{\rho}
दो तरल पदार्थों पर विचार करें जिनमें समान गतिशील चिपचिपाहट हो सकती है, लेकिन विभिन्न द्रव्यमान घनत्व हो सकते हैं। गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में ये दो तरल पदार्थ अलग-अलग दरों पर एक कंटेनर से बाहर निकलेंगे क्योंकि a प्रत्येक की समान मात्रा में अलग-अलग गुरुत्वाकर्षण बल होंगे जो उन पर कार्य कर रहे हैं (उनके अनुपात में .) जनता)। गतिज चिपचिपाहट इसे द्रव्यमान घनत्व से विभाजित करके ध्यान में रखती है, और इसलिए इसे अकेले गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में प्रवाह के प्रतिरोध के उपाय के रूप में माना जा सकता है।
चिपचिपाहट की इकाइयाँ
SI मात्रकों का उपयोग करना, क्योंकि अपरूपण प्रतिबल N/m. में था2 और कतरनी दर (m/s)/m = 1/s में थी, तो गतिशील चिपचिपाहट में Ns/m की इकाइयाँ होती हैं2 = Pa s (पास्कल-सेकंड)। हालांकि, चिपचिपाहट की सबसे आम इकाई डायन-सेकंड प्रति वर्ग सेंटीमीटर (डायने एस/सेमी .) है2) जहां 1 डाइन = 10-5 एन एक डायन-सेकंड प्रति वर्ग सेंटीमीटर कहा जाता है aसंतुलनफ्रांसीसी शरीर विज्ञानी जीन पॉइस्यूइल के बाद। एक पास्कल-सेकंड 10 पॉइज़ के बराबर है।
गतिज श्यानता का SI मात्रक मात्र m. है2/ एस, हालांकि सीजीएस प्रणाली में एक अधिक सामान्य इकाई वर्ग सेंटीमीटर प्रति सेकंड है, जिसे आयरिश भौतिक विज्ञानी जॉर्ज स्टोक्स के बाद स्टोक (सेंट) कहा जाता है।
विशिष्ट चिपचिपापन मान
अधिकांश तरल पदार्थों में चिपचिपापन 1 और 1,000 mPa s के बीच होता है जबकि गैसों में कम चिपचिपाहट होती है, आमतौर पर 1-10 μPa s के बीच। पानी की चिपचिपाहट लगभग 1.0020 mPa s होती है जबकि रक्त की चिपचिपाहट 3 और 4 mPa s के बीच होती है (यह कहने का नया अर्थ है कि रक्त पानी से अधिक गाढ़ा होता है!)
खाना पकाने के तेलों में लगभग 25 से 100 एमपीए एस के बीच चिपचिपाहट होती है, जबकि मोटर तेल और मशीन तेलों में कुछ सौ एमपीए के क्रम में चिपचिपाहट होती है।
आप जिस हवा में सांस लेते हैं उसकी चिपचिपाहट लगभग 18 μPa s होती है।
पिघला हुआ ग्लास सबसे चिपचिपा तरल पदार्थों में से एक है जिसमें उच्च चिपचिपापन अनंत के करीब पहुंच जाता है क्योंकि यह जम जाता है। इसके गलनांक पर, कांच की चिपचिपाहट लगभग 10 Pa s होती है, जबकि इसके कार्य बिंदु पर यह 100 के कारक से और 10 से अधिक के कारक से बढ़ जाती है।11 इसके एनीलिंग बिंदु पर।
न्यूटोनियन तरल पदार्थ
न्यूटनियन द्रव वह है जिसमें अपरूपण प्रतिबल अपरूपण दर से रैखिक रूप से संबंधित होता है। ऐसे द्रव में उस द्रव की श्यानता एक नियत मान होती है। (एक गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थ में, चिपचिपाहट दूसरे चर के गतिशील कार्य के रूप में समाप्त होती है, जैसे समय।)
आश्चर्य नहीं कि न्यूटनियन तरल पदार्थ के साथ काम करना और मॉडल करना आसान है। सुविधाजनक रूप से, कई सामान्य तरल पदार्थ एक अच्छे सन्निकटन के लिए न्यूटनियन हैं। कुछ व्यवहार जो गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थ प्रदर्शित कर सकते हैं उनमें तरल पदार्थ शामिल हैं जिनमें चिपचिपापन कतरनी दर के साथ बदलता है, और तरल पदार्थ जो हिलने, उत्तेजित या परेशान होने पर कम या अधिक चिपचिपा हो जाते हैं।
पानी और हवा न्यूटनियन तरल पदार्थ के उदाहरण हैं। गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थों के उदाहरण गैर-ड्रिप पेंट, कुछ बहुलक समाधान और यहां तक कि रक्त भी हैं। एक ग्रेड स्कूल पसंदीदा गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थ ओबलेक है - मकई स्टार्च और पानी का मिश्रण जो जल्दी से काम करने पर लगभग ठोस कार्य करता है, और फिर अकेले छोड़े जाने पर पिघल जाता है।
टिप्स
ओबलेक कैसे बनाते हैं:1 भाग पानी में 2 भाग कॉर्नस्टार्च मिलाएं। चाहें तो थोड़ी मात्रा में फ़ूड कलरिंग डालें। घोल को मुक्का मारने या गेंद बनाने की कोशिश करें और फिर इसे अपने हाथों में पिघलने दें!
चिपचिपाहट को कैसे मापें
चिपचिपाहट को कई अलग-अलग तरीकों से मापा जा सकता है। इनमें विस्कोमीटर जैसे उपकरणों का उपयोग करना, या किसी भी संख्या में DIY प्रयोग शामिल हैं।
न्यूटोनियन तरल पदार्थों पर विस्कोमीटर का सबसे अच्छा उपयोग किया जाता है और दो तरीकों में से एक के माध्यम से काम करते हैं। या तो कोई छोटी वस्तु किसी स्थिर द्रव से होकर गुजरती है, या द्रव किसी स्थिर वस्तु से होकर बहता है। संबंधित ड्रैग को मापकर, चिपचिपाहट निर्धारित की जा सकती है। केशिका विस्कोमीटर एक निश्चित लंबाई की केशिका ट्यूब के माध्यम से तरल पदार्थ की एक निश्चित मात्रा के प्रवाह के लिए आवश्यक समय निर्धारित करके काम करते हैं। गिरती हुई गेंद के विस्कोमीटर गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में एक नमूने के माध्यम से गेंद को गिरने में लगने वाले समय को मापते हैं।
गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थों की चिपचिपाहट को मापने के लिए अक्सर एक रियोमीटर का उपयोग किया जाता है। रियोलॉजी भौतिकी की एक शाखा का नाम है जो तरल पदार्थ और नरम ठोस के प्रवाह का अध्ययन करती है और देखती है कि वे कैसे विकृत होते हैं। एक रियोमीटर चिपचिपाहट को मापते समय अधिक चर निर्धारित करने की अनुमति देता है क्योंकि गैर-न्यूटोनियन तरल पदार्थों में निरंतर चिपचिपापन मान नहीं होता है। दो मुख्य प्रकार के रियोमीटर हैंकतरनीरियोमीटर (जो लागू अपरूपण प्रतिबल को नियंत्रित करते हैं) तथाextensionalरियोमीटर (जो अनुप्रयुक्त बाह्य अपरूपण प्रतिबल के आधार पर कार्य करते हैं)।
DIY चिपचिपापन माप
निम्नलिखित वर्णन करता है कि आप कुछ साधारण सामग्रियों का उपयोग करके घर पर तरल पदार्थ की चिपचिपाहट को कैसे माप सकते हैं। हालाँकि, इस पद्धति को लागू करने के लिए, आपको पहले स्टोक्स के नियम की आवश्यकता होगी। स्टोक्स का नियम ड्रैग फोर्स से संबंधित हैएफएक छोटे से गोले पर एक चिपचिपा द्रव के माध्यम से चिपचिपापन, गोले की त्रिज्या की ओर बढ़ रहा हैआरऔर गोले का अंतिम वेगवी, के जरिए:
एफ = 6\pi \eta r v
अब जब आपके पास यह नियम है, तो आप अपनी गिरती हुई गेंद का विस्कोमीटर बना सकते हैं।
चीजें आप की आवश्यकता होगी
- शासक
- घड़ी बंद करो
- एक बड़ा स्नातक सिलेंडर
- एक छोटा संगमरमर या स्टील की गेंद
- एक तरल पदार्थ जिसकी चिपचिपाहट आप मापना चाहते हैं
द्रव के एक ज्ञात आयतन को तोलकर और उसके द्रव्यमान को आयतन से विभाजित करके द्रव के घनत्व की गणना करें।
पहले इसके व्यास को मापकर और सूत्र V = 4/3πr. का उपयोग करके गेंद के घनत्व की गणना करें3 इसकी मात्रा की गणना करने के लिए। फिर गेंद को तौलें और द्रव्यमान को आयतन से विभाजित करें।
गेंद के अंतिम वेग को मापें क्योंकि यह स्नातक किए गए सिलेंडर में द्रव के माध्यम से गिरता है। एक मोटे तरल पदार्थ में, संगमरमर काफी तेजी से स्थिर गति तक पहुंच जाएगा। गेंद को स्नातक किए गए सिलेंडर पर दो चिह्नित बिंदुओं के बीच से गुजरने में कितना समय लगता है, और फिर वेग निर्धारित करने के लिए उस दूरी को समय से विभाजित करें।
तरल पदार्थ की चिपचिपाहट स्टोक्स के नियम का उपयोग करके और चिपचिपाहट के लिए हल करके पाई जा सकती है:
\eta = \frac{F}{6\pi rv}
जहाँ F इस मामले में ड्रैग फोर्स है। ड्रैग फोर्स को निर्धारित करने के लिए, आपको नेट फोर्स समीकरण लिखना होगा और इसके लिए हल करना होगा। जब गेंद टर्मिनल वेग पर होती है तो नेट बल समीकरण होता है:
F_net = F_b + F - F_g = 0
कहा पेएफखउत्प्लावक बल है औरएफजीगुरुत्वाकर्षण बल है। एफ के लिए हल करना और अभिव्यक्तियों में प्लग करना, आपको मिलता है:
F = F_g - F_b = \rho_bV_bg-\rho_fV_bg = 4/3\pi r^3(\rho_b-\rho_f)
कहा पेवीखगेंद का आयतन है,ρखगेंद का घनत्व है औरρएफ द्रव का घनत्व है।
इसलिए चिपचिपाहट का सूत्र बन जाता है:
\eta = \frac{2r^2g(\rho_b-\rho_f)}{9v}
अंतिम परिणाम की गणना करने के लिए बस गेंद की त्रिज्या, गेंद और तरल पदार्थ के घनत्व, और टर्मिनल वेग के लिए अपने मापा मूल्यों में प्लग करें।