Kategóriájafolyadékoksokféle anyagot magában foglal, amelyek számos módon megkülönböztethetők egymástól, beleértve a kémiai összetételt, a polaritást, a sűrűséget és így tovább. A folyadékok másik tulajdonsága a néven ismert mennyiségviszkozitás.
Mi a viszkozitás?
Tegyük fel, hogy van egy csésze víz és egy csésze szirup. Amikor ezekből a poharakból önti a folyadékokat, észreveheti az egyes folyadékok áramlásának különbségét. A víz gyorsan és egyszerűen kiárad, míg a szirup lassabban ömlik. Ez a különbség viszkozitásuk különbségéből adódik.
A viszkozitás a folyadék áramlási ellenállásának mértéke. Úgy is gondolhatunk rá, mint a folyadék vastagságának vagy a rajta áthaladó tárgyakkal szembeni ellenállásának mértékére. Minél nagyobb az ellenállás az áramlással szemben, annál nagyobb a viszkozitás, így az előző példában a szirup viszkozitása nagyobb, mint a vízé.
Mi okozza a viszkozitást?
A viszkozitást a folyadékban lévő molekulák közötti belső súrlódás okozza. Gondoljunk egy áramló folyadékra, amely egymáshoz képest mozgó rétegekből áll. Ezek a rétegek egymáshoz súrlódnak, és minél nagyobb a súrlódás, annál lassabb az áramlás (vagy annál nagyobb erő szükséges az áramlás eléréséhez).
Számos tényező befolyásolhatja az anyag viszkozitását; ezek között van a hőmérséklet. Emlékezzünk vissza arra, hogy a hőmérséklet az anyag molekulájára jutó átlagos kinetikus energia mértéke. Molekulánként magasabb átlagos kinetikus energia gyorsabban mozgó molekulákat eredményez, ezért alacsonyabb a folyadékok viszkozitása. Ha például szirupot melegít fel mikrohullámú sütőben, akkor észreveheti, hogy könnyebben folyik.
A gázok esetében azonban a magasabb hőmérséklet valójában „megvastagszik”, és viszkozitásuk a hőmérséklet növekedésével nő. Ennek oka, hogy alacsony hőmérsékletű gázok esetében a molekulák ritkán ütköznek vagy kölcsönhatásba lépnek egymással, míg magasabb hőmérsékleten sokkal több az ütközés. Ennek eredményeként nő a gázok áramlási ellenállása.
A folyadékban lévő molekulák alakja szintén befolyásolhatja a viszkozitást. A kerekebb molekulák könnyebben el tudnak gördülni egymás mellett, mint az ágakkal rendelkező és kevésbé egységes alakú molekulák. (Képzelje el, hogy kiöntött egy vödör golyót, szemben egy csomó emelővel.)
Nyírófeszültség és nyírási sebesség
A viszkozitás matematikai megfogalmazásával kapcsolatos két tényező a nyírófeszültség és a nyírási sebesség. A viszkozitás formális meghatározásának megértése érdekében először is fontos megérteni ezeknek a mennyiségeknek a definícióit.
Fontolja meg a folyadékáramlás közelítésének módszerét, amikor folyadékrétegek áramlanak egymás mellett. Ha ilyen áramló folyadékra gondolunk, akkor a nyírófeszültség az az erő, amely az egyik réteget a másikra tolja, osztva a rétegek területével. Formálisabban ez az erő arányaként mondható elFa keresztmetszeti területtel alkalmazvaAaz alkalmazott erővel párhuzamos anyag.
A nyírófeszültséget gyakran a görög tau betűvel jelöljükτ, és ezért a megfelelő matematikai kifejezés:
\ tau = \ frac {F} {A}
A nyírási sebesség lényegében az a sebesség, amellyel a folyadékrétegek elmennek egymás mellett. Formálisabban a következőképpen határozza meg:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Ahol Δva két réteg közötti sebességkülönbség, ésxa réteg elválasztása.
A y jelölése a ponttal azért van, mert γ a nyírás, és a változó első deriváltját (a változás sebességét) gyakran a társított változó fölötti ponttal jelöljük. Számítás segítségével a folyamatos nyírási sebességet megadnánkdv / dxehelyett és sebességgradiensnek is nevezik.
A viszkozitás típusai
A viszkozitásnak többféle típusa van. Vandinamikusviszkozitás, más névenabszolútviszkozitás, amely általában a viszkozitás, amikor egyszerűen a „viszkozitást” mondják. De van olyan iskinematikaiviszkozitás, amelynek kissé más matematikai megfogalmazása van.
A dinamikus vagy abszolút viszkozitás a nyírófeszültség és a nyírósebesség aránya, amint azt a következő egyenlet mutatja:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Ennek a kapcsolatnak a közös megfogalmazását Newton-egyenletnek hívják, és a következőképpen íródik:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
A kinematikai viszkozitás az abszolút viszkozitás, amelyet elosztunk a tömegsűrűséggel:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Vegyünk két olyan folyadékot, amelyek dinamikus viszkozitása azonos lehet, de tömegsűrűsége eltérő lehet. Ez a két folyadék a gravitáció hatására különböző sebességgel fog kiönteni egy tartályból, mert egy mindegyiknek azonos mennyisége különböző gravitációs erőkre hat (rájuk arányosan) tömegek). A kinematikai viszkozitás ezt figyelembe veszi, elosztva a tömegsűrűséggel, és ezért csak a gravitáció hatására az áramlással szembeni ellenállás mértékének tekinthető.
A viszkozitás mértékegységei
SI egységek alkalmazásával, mivel a nyírófeszültség N / m volt2 és a nyírási sebesség (m / s) / m = 1 / s volt, akkor a dinamikus viszkozitás Ns / m2 = Pa s (pascal-másodperc). A viszkozitás leggyakoribb mértékegysége a dyne-másodperc négyzetcentiméterenként (dyne s / cm2) ahol 1 dyne = 10-5 N. Négyzetcentiméterenként egy dyne-másodperc aegyensúlyJean Poiseuille francia fiziológus után. Egy pascal-másodperc egyenlő 10 poise-val.
A kinematikai viszkozitás SI egysége egyszerűen m2/ s, bár a CGS rendszerben gyakoribb egység a négyzetcentiméter másodpercenként, amelyet George Stokes ír fizikus után stoke-nak (St) neveznek.
Tipikus viszkozitásértékek
A legtöbb folyadék viszkozitása 1 és 1000 mPa s között van, míg a gázok viszkozitása alacsony, általában 1-10 μPa s között van. A víz viszkozitása körülbelül 1,0020 mPa s, míg a vér viszkozitása 3 és 4 mPa s között van (új értelmet adva annak a mondásnak, hogy a vér vastagabb, mint a víz!)
Az étolajok viszkozitása körülbelül 25-100 mPa s, míg a motorolaj és a gépolaj viszkozitása néhány száz mPa s nagyságrendű.
A belélegzett levegő viszkozitása körülbelül 18 μPa s.
Az olvadt üveg az egyik legviszkózusabb folyadék, amelynek nagy viszkozitása megszilárdulásához közeledik a végtelenig. Olvadáspontján az üveg viszkozitása körülbelül 10 Pa s, miközben ez munkapontjában 100-szoros, és 10-nél nagyobb tényezővel növekszik.11 annak lágyítási pontján.
Newtoni folyadékok
A Newtonion folyadék olyan, amelyben a nyírófeszültség lineárisan összefügg a nyírási sebességgel. Egy ilyen folyadékban az adott folyadék viszkozitása állandó érték. (Nem newtoni folyadékban a viszkozitás végül egy másik változó, például az idő dinamikus függvénye.)
Nem meglepő, hogy a Newtonion folyadékokkal könnyebb dolgozni és modellezni. Kényelmesen sok közönséges folyadék jó közelítéssel Newtonion. Néhány olyan viselkedés, amelyet a nem newtoni folyadékok mutathatnak, magában foglalja azokat a folyadékokat, amelyekben a viszkozitás a nyírási sebességgel változik, és azokat a folyadékokat, amelyek rázáskor, felkavaráskor vagy zavarásakor kevésbé vagy viszkózusabbak.
A víz és a levegő példák a Newtonion folyadékokra. A nem newtoni folyadékokra példa a nem csepegtető festék, néhány polimer oldat és még a vér is. Az egyik osztályos iskola nem newtoni kedvenc folyamata az oobleck - a kukoricakeményítő és a víz keveréke, amely szinte szilárdan hat, ha gyorsan dolgoznak vele, majd magára maradva megolvad.
Tippek
Hogyan készítsünk ooblecket:Keverjen össze 2 rész kukoricakeményítőt 1 rész vízhez. Ha szükséges, adjon hozzá kis mennyiségű ételfestéket. Próbáljon lyukasztani vagy gömbbé formálni, majd hagyja, hogy megolvadjon a kezeiben!
Hogyan mérjük a viszkozitást
A viszkozitás többféle módon mérhető. Ide tartoznak olyan eszközök, mint például viszkoziméter, vagy bármennyi barkácsolási kísérlet.
A viszkozimétereket a legjobban a newtoni folyadékoknál lehet használni, és általában kétféle módon működnek. Vagy egy kis tárgy mozog egy álló folyadékon, vagy a folyadék egy álló tárgy mellett áramlik. A hozzárendelt ellenállás mérésével meghatározható a viszkozitás. A kapilláris viszkoziméterek úgy határoznak meg, hogy egy bizonyos mennyiségű folyadéknak egy bizonyos hosszúságú kapilláris csövön keresztül kell áramlania. A zuhanó gömbviszkoziméterek azt az időt mérik, amely alatt a golyó a gravitáció hatására átmegy egy mintán.
A nem newtoni folyadékok viszkozitásának mérésére gyakran reométert használnak. A reológia annak a fizikai ágnak a neve, amely a folyadékok és a lágy szilárd anyagok áramlását tanulmányozza, és megfigyeli, hogy ezek hogyan deformálódnak. A reométer lehetővé teszi több változó meghatározását a viszkozitás mérésekor, mivel a nem newtoni folyadékok nem rendelkeznek állandó viszkozitási értékekkel. A reométerek két fő típusa aznyírásreométerek (amelyek szabályozzák az alkalmazott nyírófeszültséget) ésextenzívreométerek (amelyek az alkalmazott külső nyírófeszültség alapján működnek).
Barkács viszkozitás mérés
Az alábbiakban leírjuk, hogyan mérheted meg otthon a folyadék viszkozitását néhány egyszerű anyag felhasználásával. E módszer alkalmazásához azonban először Stokes törvényére lesz szükség. Stokes törvénye a húzóerőt kapcsolja összeFegy kis gömbön, amely viszkózus folyadékon át a gömb viszkozitásáig, sugaráig haladrés a gömb végsebességev, a következőn keresztül:
F = 6 \ pi \ eta r v
Most, hogy megvan ez a törvény, létrehozhatja saját zuhanó gömbviszkoziméterét.
Amire szükséged lesz
- Vonalzó
- Stopper
- Egy nagy beosztású henger
- Egy kis márvány vagy acél golyó
- Olyan folyadék, amelynek viszkozitását meg akarja mérni
Számítsa ki a folyadék sűrűségét úgy, hogy lemér egy ismert térfogatú folyadékot, és elosztja annak tömegét a térfogattal.
Számítsa ki a gömb sűrűségét úgy, hogy először megmérte annak átmérőjét és az V = 4 / 3πr képletet használja3 hogy kiszámítsa a térfogatát. Ezután mérje meg a labdát, és ossza el a tömeget a térfogattal.
Mérjük meg a gömb végsebességét, amikor az a beosztott hengerben lévő folyadékon keresztül esik. Sűrű folyadékban a márvány meglehetősen gyorsan eléri az állandó sebességet. Idő, mennyi időbe telik, amíg a labda áthalad a beosztott henger két megjelölt pontja között, majd ossza el ezt a távolságot az idővel a sebesség meghatározásához.
A folyadék viszkozitását Stokes törvénye és a viszkozitás megoldása alapján lehet meghatározni:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Ahol F ebben az esetben a húzóerő. A húzóerő meghatározásához meg kell írnia a nettó erőegyenletet, és meg kell oldania azt. A nettó erőegyenlet, amikor a gömb végsebességen van:
F_net = F_b + F - F_g = 0
HolFblendületes erő ésFga gravitációs erő. Az F megoldása és a kifejezések csatlakoztatása a következőket kapja:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
HolVba labda térfogata,ρba labda sűrűsége ésρf a folyadék sűrűsége.
Ezért a viszkozitás képlete a következő lesz:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
A végeredmény kiszámításához egyszerűen csatlakoztassa a gömb sugarának, a gömb és a folyadék sűrűségének, valamint a végsebességnek a mért értékeit.