Kategorijašķidrumiietver daudzas dažādas vielas, kuras var atšķirt viena no otras dažādos veidos, ieskaitot ķīmisko sastāvu, polaritāti, blīvumu un tā tālāk. Vēl viena šķidruma īpašība ir daudzums, kas pazīstams kāviskozitāte.
Kas ir viskozitāte?
Pieņemsim, ka jums ir tasi ūdens un tasi sīrupa. Ielejot šķidrumus no šīm krūzēm, jūs pamanāt atšķirīgu katra šķidruma plūsmas atšķirību. Ūdens izlej ātri un viegli, kamēr sīrups lēnāk. Šī atšķirība ir saistīta ar to viskozitātes atšķirību.
Viskozitāte ir šķidruma pretestības rādītājs plūsmai. To var arī uzskatīt par šķidruma biezuma mērījumu vai tā izturību pret objektiem, kas iet caur to. Jo lielāka pretestība plūsmai, jo augstāka ir viskozitāte, tāpēc iepriekšējā piemērā sīrupam ir lielāka viskozitāte nekā ūdenim.
Kas izraisa viskozitāti?
Viskozitāti izraisa iekšēja berze starp molekulām šķidrumā. Padomājiet par plūstošu šķidrumu, kas sastāv no slāņiem, kas pārvietojas viens pret otru. Šie slāņi berzējas viens pret otru, un jo lielāka ir berze, jo lēnāka plūsma (vai lielāks spēks, kas vajadzīgs plūsmas sasniegšanai).
Daudzi faktori var ietekmēt vielas viskozitāti; starp tiem ir temperatūra. Atgādināsim, ka temperatūra ir vidējās kinētiskās enerģijas rādītājs uz molekulu vielā. Lielāka vidējā kinētiskā enerģija uz vienu molekulu rada ātrāk kustīgas molekulas un līdz ar to zemāku šķidrumu viskozitāti. Piemēram, sildot sīrupu mikroviļņu krāsnī, iespējams, pamanīsit, ka tas plūst vieglāk.
Gāzēm tomēr augstāka temperatūra faktiski tos "sabiezē", un to viskozitāte palielinās līdz ar temperatūru. Tas ir tāpēc, ka gāzēm zemā temperatūrā molekulas reti saduras vai savstarpēji mijiedarbojas, savukārt augstākā temperatūrā sadursmju ir daudz vairāk. Tā rezultātā palielinās gāzu izturība pret plūsmu.
Šķidrumā esošo molekulu forma var ietekmēt arī viskozitāti. Apaļākas molekulas var ritēt garām viena otrai vieglāk nekā molekulas ar zariem un mazāk vienotas formas. (Iedomājieties, ka izlejiet spaini ar marmoru, salīdzinot ar ķekaru izliešanu.)
Bīdes spriegums un bīdes ātrums
Divi faktori, kas attiecas uz viskozitātes matemātisko formulējumu, ir bīdes spriegums un bīdes ātrums. Lai saprastu viskozitātes formālo definīciju, vispirms ir svarīgi saprast šo lielumu definīcijas.
Apsveriet metodi, kā tuvināt šķidruma plūsmu kā šķidruma slāņus, kas plūst garām viens otram. Ja mēs domājam par tādu plūstošu šķidrumu kā šis, bīdes spriegums ir spēks, kas virza vienu slāni pāri otram, dalīts ar slāņu laukumu. Formālāk to var norādīt kā spēka attiecībuFpiemēro ar šķērsgriezuma laukumuAno materiāla, kas ir paralēls pielietotajam spēkam.
Bīdes spriegumu bieži apzīmē ar grieķu burtu tauτ, un līdz ar to atbilstošā matemātiskā izteiksme ir:
\ tau = \ frac {F} {A}
Bīdes ātrums būtībā ir ātrums, kādā šķidruma slāņi pārvietojas viens otram garām. Formālāk tas tiek definēts šādi:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Kur Δvir ātruma starpība starp diviem slāņiem unxir slāņu atdalīšana.
Γ apzīmējums ar punktu ir tāpēc, ka γ ir bīde, un mainīgā lieluma pirmo atvasinājumu (izmaiņu ātrumu) bieži apzīmē ar punktu virs saistītā mainīgā. Izmantojot aprēķinu, nepārtrauktās bīdes ātrums tiktu norādīts kādv / dxtā vietā, un to sauc arī par ātruma gradientu.
Viskozitātes veidi
Viskozitāte ir dažāda veida. Tur irdinamisksviskozitāte, saukta arīabsolūtsviskozitāte, kas parasti ir viskozitāte, uz kuru atsaucas, vienkārši sakot “viskozitāte”. Bet ir arīkinemātisksviskozitāte, kurai ir nedaudz atšķirīgs matemātiskais formulējums.
Dinamiskā vai absolūtā viskozitāte ir bīdes sprieguma un bīdes ātruma attiecība, kā parādīts šādā vienādojumā:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Šo attiecību kopēju formulējumu sauc par Ņūtona vienādojumu, un tas tiek rakstīts šādi:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinemātiskā viskozitāte ir definēta kā absolūtā viskozitāte dalīta ar masas blīvumu:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Apsveriet divus šķidrumus, kuriem var būt vienāda dinamiskā viskozitāte, bet atšķirīgs masas blīvums. Šie divi šķidrumi gravitācijas ietekmē izlīs no konteinera ar atšķirīgu ātrumu, jo vienādam daudzumam uz tiem iedarbosies dažādi gravitācijas spēki (proporcionāli tiem masas). Kinemātiskā viskozitāte to ņem vērā, dalot to ar masas blīvumu, un tāpēc to var uzskatīt par plūsmas pretestības mēru tikai gravitācijas ietekmē.
Viskozitātes vienības
Izmantojot SI vienības, tā kā bīdes spriegums bija N / m2 un bīdes ātrums bija (m / s) / m = 1 / s, tad dinamiskās viskozitātes vienības ir Ns / m2 = Pa s (paskal-sekunde). Tomēr viskozitātes visizplatītākā vienība ir dyna sekunde uz kvadrātcentimetru (dyne s / cm2), kur 1 dyna = 10-5 N. Vienu dynsekundi uz kvadrātcentimetru sauc par alīdzsvarspēc franču fiziologa Žana Poizē. Viena paskal-sekunde ir vienāda ar 10 pozu.
Kinemātiskās viskozitātes SI vienība ir vienkārši m2/ s, lai gan biežāk CGS sistēmā izmanto kvadrātcentimetru sekundē, ko īru fiziķa Džordža Stoksa vārdā sauc par stoku (St).
Tipiskas viskozitātes vērtības
Lielākajai daļai šķidrumu viskozitāte ir no 1 līdz 1 000 mPa s, savukārt gāzēm ir zema viskozitāte, parasti no 1 līdz 10 μPa s. Ūdens viskozitāte ir aptuveni 1,0020 mPa s, savukārt asiņu viskozitāte ir no 3 līdz 4 mPa s (piešķirot jaunu nozīmi teicienam, ka asinis ir biezākas par ūdeni!)
Cepamo eļļu viskozitāte ir no aptuveni 25 līdz 100 mPa s, savukārt motoreļļas un mašīnu eļļas viskozitāte ir aptuveni daži simti mPa s.
Elpojamā gaisa viskozitāte ir aptuveni 18 μPa s.
Izkausētais stikls ir viens no viskozākajiem šķidrumiem, kas ir ar augstu viskozitāti, tuvojoties bezgalībai, kad tas sacietē. Stikla viskozitāte tās kušanas temperatūrā ir aptuveni 10 Pa s, savukārt tā darba vietā tā palielinās par 100 reizes un par koeficientu vairāk nekā 1011 tās atlaidināšanas punktā.
Ņūtona šķidrumi
Ņūtoniona šķidrums ir tāds, kurā bīdes spriegums ir lineāri saistīts ar bīdes ātrumu. Šādā šķidrumā šī šķidruma viskozitāte ir nemainīga vērtība. (Ne Ņūtona šķidrumā viskozitāte galu galā ir cita mainīgā, piemēram, laika, dinamiskā funkcija.)
Nav pārsteidzoši, ka ar Ņūtjona šķidrumiem ir vieglāk strādāt un modelēt. Ērti, ka daudzi parastie šķidrumi ir Ņūtonijs, lai tos tuvinātu. Daži uzvedības veidi, ko var piemeklēt ne Ņūtona šėidrumi, ir šėidrumi, kuros viskozitāte mainās ar bīdes ātrumu, un šėidrumi, kas kratot, satraukti vai traucējot kļūst mazāk vai viskozāki.
Ūdens un gaiss ir Ņūtiona šķidrumu piemēri. Neutonisko šķidrumu piemēri ir pilienveida krāsa, daži polimēru šķīdumi un pat asinis. Vienas klases skolas iecienītākais šķidrums, kas nav Ņūtona štats, ir oobleck - kukurūzas cietes un ūdens maisījums, kas, strādājot ātri, darbojas gandrīz cieti, un pēc tam paliek, kad paliek viens.
Padomi
Kā padarīt oobleck:Sajauciet 2 daļas kukurūzas cietes ar 1 daļu ūdens. Ja vēlaties, pievienojiet nelielu daudzumu pārtikas krāsvielu. Mēģiniet iespiest šķīdumu vai veidot bumbu un pēc tam ļaut tam izkausēt jūsu rokās!
Kā izmērīt viskozitāti
Viskozitāti var izmērīt vairākos dažādos veidos. Tajos ietilpst tādu instrumentu kā viskozimetrs vai jebkura veida DIY eksperimentu izmantošana.
Viskometrus vislabāk izmantot pie Ņūtona šķidrumiem, un tie parasti darbojas vienā no diviem veidiem. Vai nu mazs objekts pārvietojas pa nekustīgu šķidrumu, vai arī šķidrums plūst garām nekustīgam objektam. Mērot saistīto pretestību, var noteikt viskozitāti. Kapilāru viskozimetri darbojas, nosakot laiku, kas vajadzīgs noteikta šķidruma tilpuma plūsmai caur noteikta garuma kapilāru cauruli. Krītošie lodīšu viskozimetri mēra laiku, kas nepieciešams, lai bumba smaguma ietekmē izkristu caur paraugu.
Lai izmērītu ne Ņūtona šķidrumu viskozitāti, bieži izmanto reometru. Reoloģija ir fizikas nozares nosaukums, kas pēta šķidrumu un mīksto cieto vielu plūsmu un novēro, kā tās deformējas. Reometrs ļauj noteikt vairāk mainīgo, mērot viskozitāti, jo ne Ņūtona šķidrumiem nav nemainīgas viskozitātes vērtības. Divi galvenie reometru veidi irbīdesreometri (kas kontrolē pielietoto bīdes spriegumu) unekstensīvsreometri (kas darbojas, pamatojoties uz pielietoto ārējo bīdes spriegumu).
DIY viskozitātes mērīšana
Turpmāk aprakstīts, kā jūs varat izmērīt šķidruma viskozitāti mājās, izmantojot dažus vienkāršus materiālus. Tomēr, lai piemērotu šo metodi, vispirms būs nepieciešams Stoksa likums. Stoksa likums attiecas uz pretestības spēkuFuz mazas sfēras, kas pārvietojas caur viskozu šķidrumu līdz sfēras viskozitātei, rādiusamrun sfēras galīgais ātrumsv, caur:
F = 6 \ pi \ eta r v
Tagad, kad jums ir šis likums, jūs varat izveidot savu krītošo lodveida viskozimetru.
Jums nepieciešamās lietas
- Lineāls
- Hronometrs
- Liels graduēts cilindrs
- Neliela marmora vai tērauda lodīte
- Šķidrums, kura viskozitāti vēlaties izmērīt
Aprēķiniet šķidruma blīvumu, nosverot zināmu šķidruma tilpumu un dalot tā masu ar tilpumu.
Aprēķiniet lodītes blīvumu, vispirms izmērot tās diametru un izmantojot formulu V = 4 / 3πr3 lai aprēķinātu tā apjomu. Tad nosver bumbu un masu sadala ar tilpumu.
Izmēra lodītes gala ātrumu, kad tā nokrīt caur šķidrumu graduētajā cilindrā. Biezā šķidrumā marmors diezgan ātri sasniegs nemainīgu ātrumu. Laiks, cik ilgs laiks ir nepieciešams, lai bumba izietu starp diviem iezīmētiem punktiem uz graduētā cilindra, un pēc tam daliet šo attālumu ar laiku, lai noteiktu ātrumu.
Šķidruma viskozitāti var noteikt, izmantojot Stoka likumu un viskozitātes risinājumu:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Kur F šajā gadījumā ir pretestības spēks. Lai noteiktu pretestības spēku, jums ir jāuzraksta neto spēka vienādojums un tam jāatrisina. Neto spēka vienādojums, kad bumba atrodas gala ātrumā, ir:
F_net = F_b + F - F_g = 0
KurFbir peldošs spēks unFgir gravitācijas spēks. Atrisinot F un pievienojot izteiksmes, jūs saņemat:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
KurVbir bumbas tilpums,ρbir bumbas blīvums unρf ir šķidruma blīvums.
Tādējādi viskozitātes formula kļūst:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Lai aprēķinātu gala rezultātu, vienkārši pievienojiet izmērītās bumbas rādiusa, lodītes un šķidruma blīvuma un gala ātruma vērtības.