Kategorijatekućineobuhvaća mnogo različitih tvari koje se mogu međusobno razlikovati na brojne načine, uključujući kemijski sastav, polaritet, gustoću i tako dalje. Sljedeće svojstvo tekućina je količina poznata kaoviskoznost.
Što je viskoznost?
Pretpostavimo da imate šalicu vode i šalicu sirupa. Kad u te čaše ulijete tekućinu, primijetite izrazitu razliku u načinu protoka svake tekućine. Voda se brzo i lako izlijeva, dok sirup sporije. Ova razlika nastaje zbog razlike u njihovoj viskoznosti.
Viskoznost je mjera otpora tekućine protoku. Također se može smatrati mjerom debljine tekućine ili njenog otpora objektima koji kroz nju prolaze. Što je otpor protoku veći, to je viskoznost veća, pa u prethodnom primjeru sirup ima veću viskoznost od vode.
Što uzrokuje viskoznost?
Viskoznost je uzrokovana unutarnjim trenjem između molekula u tekućini. Zamislite tekuću tekućinu kao da se sastoji od slojeva koji se pomiču jedan u odnosu na drugi. Ti se slojevi trljaju jedan o drugi, a što je veće trenje, protok je sporiji (ili veća sila potrebna za postizanje protoka).
Mnogi čimbenici mogu utjecati na viskoznost tvari; među njima je i temperatura. Prisjetimo se da je temperatura mjera prosječne kinetičke energije po molekuli u tvari. Veća prosječna kinetička energija po molekuli rezultira molekulama koje se brže kreću, a time i manjoj viskoznosti za tekućine. Ako, na primjer, zagrijete sirup u mikrovalnoj pećnici, mogli biste primijetiti da lakše teče.
Za plinove, međutim, viša temperatura zapravo uzrokuje njihovo "zgušnjavanje", a viskoznost im raste s temperaturom. To je zato što se za plinove na niskim temperaturama molekule rijetko sudaraju ili međusobno komuniciraju, dok na višim temperaturama ima mnogo više sudara. Kao rezultat, povećava se otpor plinova protoku.
Oblik molekula u tekućini također može utjecati na viskoznost. Zaobljenije molekule mogu se lakše kotrljati jedna pored druge od molekula s granama i manje jednolikih oblika. (Zamislite kako sipate kantu mramora nasuprot hrpe dizalica.)
Napon smičenja i brzina smicanja
Dva čimbenika koja se odnose na matematičku formulaciju viskoznosti su posmični napon i brzina smicanja. Da bismo razumjeli formalnu definiciju viskoznosti, prvo je važno razumjeti definicije ovih količina.
Razmotrite metodu približavanja protoka tekućine kao slojeva tekućine koji teku jedan pored drugog. Ako pomislimo na tekuću tekućinu poput ove, posmični napon je sila koja gura jedan sloj preko drugog podijeljena površinom slojeva. Formalnije, to se može reći kao omjer sileFprimjenjuje se s površinom presjekaAmaterijala koji je paralelan primijenjenoj sili.
Napon smicanja često se označava grčkim slovom tauτ, pa je stoga odgovarajući matematički izraz:
\ tau = \ frac {F} {A}
Brzina smicanja je u osnovi brzina kojom se slojevi tekućine kreću jedan pored drugog. Formalnije definirano je kako slijedi:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Gdje je Δvje razlika u brzini između dva sloja, ixje odvajanje sloja.
Oznaka γ točkom je zato što je γ posmik, a prvi se derivat (brzina promjene) varijable često označava točkom iznad pridružene varijable. Koristeći račun, kontinuirana brzina smicanja dobila bi kaodv / dxumjesto toga naziva se i gradijent brzine.
Vrste viskoznosti
Viskoznost postoji u nekoliko različitih vrsta. Tamo jedinamičanviskoznost, također nazvanaapsolutniviskoznost, na koju se obično govori viskoznost kada se jednostavno kaže „viskoznost”. Ali postoji ikinematičkiviskoznosti, koja ima malo drugačiju matematičku formulaciju.
Dinamička ili apsolutna viskoznost je omjer posmičnog naprezanja i brzine smicanja, kao što je prikazano u sljedećoj jednadžbi:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ točka {\ gamma}}
Uobičajena formulacija ovog odnosa naziva se Newtonova jednadžba i zapisuje se kako slijedi:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematička viskoznost definira se kao apsolutna viskoznost podijeljena s masenom gustoćom:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Razmotrimo dvije tekućine koje bi mogle imati jednaku dinamičku viskoznost, ali različite gustoće mase. Ove dvije tekućine izlijevat će se iz posude različitim brzinama pod utjecajem gravitacije jer an jednaka količina svake od njih imat će različite gravitacijske sile koje djeluju na njih (proporcionalne njihovim mise). Kinematička viskoznost uzima to u obzir dijeljenjem s gustoćom mase, pa se stoga može smatrati mjerom otpora protoku pod utjecajem gravitacije.
Jedinice viskoznosti
Koristeći SI jedinice, jer je smičući napon bio u N / m2 a brzina smicanja bila je u (m / s) / m = 1 / s, tada dinamička viskoznost ima jedinice Ns / m2 = Pa s (paskal-sekunda). Međutim, najčešća jedinica viskoznosti je din-sekunda po kvadratnom centimetru (din s / cm2) gdje je 1 din = 10-5 N. Jedna din-sekunda po kvadratnom centimetru naziva se astaloženostnakon francuskog fiziologa Jeana Poiseuillea. Jedna paskal-sekunda jednaka je 10 stadija.
SI jedinica kinematičke viskoznosti je jednostavno m2/ s, iako je češća jedinica u CGS sustavu kvadratni centimetar u sekundi, koji se prema irskom fizičaru Georgeu Stokesu naziva stoke (St).
Tipične vrijednosti viskoznosti
Većina tekućina ima viskoznost između 1 i 1000 mPa s, dok plinovi imaju nisku viskoznost, obično između 1-10 μPa s. Viskoznost vode je oko 1,0020 mPa s, dok je viskoznost krvi između 3 i 4 mPa s (što novo značenje daje izreci da je krv gušća od vode!)
Ulja za kuhanje imaju viskoznost između oko 25 do 100 mPa s, dok motorna ulja i strojna ulja imaju viskoznost reda nekoliko stotina mPa s.
Zrak koji udišete ima viskoznost od oko 18 μPa s.
Rastopljeno staklo jedna je od najviskoznijih tekućina koje postoje, s visokom viskoznošću koja se približava beskonačnosti dok se stvrdnjava. Na svom talištu viskoznost stakla je oko 10 Pa s, dok se to povećava za faktor 100 na radnoj točki i za faktor veći od 1011 na svom mjestu žarenja.
Newtonova tekućina
Newtonionova tekućina je ona kod koje je posmični napon linearno povezan sa posmičnom brzinom. U takvoj tekućini viskoznost te tekućine je konstantna vrijednost. (U ne-Newtonovoj tekućini viskoznost završava kao dinamička funkcija druge varijable, poput vremena.)
Nije iznenađujuće, s Newtonion tekućinama je lakše raditi i modelirati ih. Pogodno je da su mnoge uobičajene tekućine Newtonion u dobroj aproksimaciji. Neka ponašanja koja mogu pokazati nenjutnovske tekućine uključuju tekućine u kojima se viskoznost mijenja brzinom smicanja i tekućine koje postaju manje ili više viskozne kada se protrese, uzburka ili poremeti.
Voda i zrak primjeri su Newtonovih tekućina. Primjeri nenjutnovskih tekućina su boja koja ne kaplje, neke polimerne otopine, pa čak i krv. Omladinska tekućina koja nije u Newtonu jedan razred je oobleck - mješavina kukuruznog škroba i vode koja djeluje gotovo čvrsto kad se brzo radi, a zatim se topi kad ostane sama.
Savjeti
Kako napraviti oobleck:Pomiješajte 2 dijela kukuruznog škroba s 1 dijelom vode. Po želji dodajte malu količinu boje za hranu. Pokušajte probiti otopinu ili oblikovati loptu, a zatim je pustiti da se otopi u vašim rukama!
Kako izmjeriti viskoznost
Viskoznost se može mjeriti na nekoliko različitih načina. To uključuje upotrebu instrumenata poput viskozimetra ili bilo koji broj DIY eksperimenata.
Viskozimetri se najbolje koriste na Newtonovim tekućinama i obično rade na jedan od dva načina. Ili se mali objekt kreće kroz nepokretni fluid, ili tečnost prolazi pored nepokretnog predmeta. Mjerenjem pripadajućeg otpora može se odrediti viskoznost. Kapilarni viskozimetri djeluju određivanjem vremena potrebnog za određeni volumen tekućine da teče kroz kapilarnu cijev određene duljine. Viskozimetri lopte u padu mjere vrijeme potrebno da lopta padne kroz uzorak pod utjecajem gravitacije.
Za mjerenje viskoznosti ne-newtonovskih tekućina često se koristi reometar. Reologija je naziv grane fizike koja proučava protok tekućina i mekih krutina i promatra kako se one deformiraju. Reometar omogućuje određivanje više varijabli pri mjerenju viskoznosti, jer njutnovske tekućine nemaju konstantne vrijednosti viskoznosti. Dvije su glavne vrste reometrasmicanjereometri (koji kontroliraju primijenjeno posmično naprezanje) iekstenzijskareometri (koji rade na temelju primijenjenog vanjskog smičućeg naprezanja).
DIY mjerenje viskoznosti
Slijedi opis kako možete izmjeriti viskoznost tekućine kod kuće pomoću nekoliko jednostavnih materijala. Da biste primijenili ovu metodu, najprije će vam trebati Stokesov zakon. Stokesov zakon odnosi silu vučeFna maloj kugli koja se kreće kroz viskoznu tekućinu do viskoznosti, radijusa kugleri krajnju brzinu kuglev, putem:
F = 6 \ pi \ eta r v
Sada kada imate ovaj zakon, možete stvoriti vlastiti viskozimetar za padanje kuglica.
Stvari koje će vam trebati
- Vladar
- Štoperica
- Veliki diplomirani cilender
- Mala kugla od mramora ili čelika
- Tekućina čiju viskoznost želite mjeriti
Izračunajte gustoću tekućine vaganjem poznatog volumena tekućine i dijeljenjem njene mase s volumenom.
Izračunajte gustoću kuglice tako da prvo izmjerite njezin promjer i koristite formulu V = 4 / 3πr3 kako bi se izračunao njegov volumen. Zatim izvažite kuglu i podijelite masu s volumenom.
Izmjerite krajnju brzinu kugle kako pada kroz tekućinu u graduiranom cilindru. U gustoj tekućini mramor će prilično brzo postići konstantnu brzinu. Vrijeme, koliko treba lopti da prođe između dviju označenih točaka na stupnjevanom cilindru, a zatim podijelite tu udaljenost s vremenom da odredite brzinu.
Viskoznost tekućine može se naći koristeći Stokesov zakon i rješenje viskoznosti:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Gdje je F u ovom slučaju sila vuče. Da biste odredili silu vučenja, morate napisati jednadžbu neto sile i riješiti je. Jednadžba neto sile kada je lopta krajnje brzine je:
F_net = F_b + F - F_g = 0
GdjeFbje poletna sila iFgje gravitacijska sila. Rješavanjem F i uključivanjem izraza dobivate:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
GdjeVbje volumen lopte,ρbje gustoća lopte iρf je gustoća tekućine.
Stoga formula za viskoznost postaje:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Jednostavno uključite izmjerene vrijednosti radijusa kuglice, gustoće kuglice i tekućine i krajnje brzine kako biste izračunali konačni rezultat.