De categorie vanvloeistoffenomvat veel verschillende stoffen die op verschillende manieren van elkaar kunnen worden onderscheiden, waaronder chemische samenstelling, polariteit, dichtheid enzovoort. Een andere eigenschap van vloeistoffen is een hoeveelheid die bekend staat als:viscositeit:.
Wat is viscositeit?
Stel je hebt een kopje water en een kopje siroop. Wanneer je de vloeistoffen uit deze kopjes schenkt, merk je een duidelijk verschil in hoe elke vloeistof stroomt. Het water stroomt er snel en gemakkelijk uit, terwijl de siroop langzamer stroomt. Dit verschil is te wijten aan een verschil in hun viscositeit.
Viscositeit is een maat voor de weerstand van een vloeistof tegen stroming. Het kan ook worden gezien als een maat voor de dikte van een vloeistof of de weerstand ervan tegen objecten die er doorheen gaan. Hoe groter de weerstand tegen vloeien, hoe hoger de viscositeit, dus in het vorige voorbeeld heeft de siroop een hogere viscositeit dan water.
Wat veroorzaakt viscositeit?
Viscositeit wordt veroorzaakt door interne wrijving tussen de moleculen in een vloeistof. Denk aan een stromende vloeistof als bestaande uit lagen die ten opzichte van elkaar bewegen. Deze lagen wrijven tegen elkaar, en hoe groter de wrijving, hoe langzamer de stroming (of hoe meer kracht er nodig is om stroming te bereiken).
Veel factoren kunnen de viscositeit van een stof beïnvloeden; onder deze is temperatuur. Bedenk dat temperatuur een maat is voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul in een stof. Een hogere gemiddelde kinetische energie per molecuul resulteert in sneller bewegende moleculen en dus een lagere viscositeit voor vloeistoffen. Als je siroop bijvoorbeeld in de magnetron opwarmt, merk je misschien dat het makkelijker vloeit.
Voor gassen zorgt een hogere temperatuur er echter voor dat ze "verdikken" en dat hun viscositeit toeneemt met de temperatuur. Dit komt omdat bij gassen bij lage temperaturen de moleculen zelden botsen of met elkaar in wisselwerking staan, terwijl er bij hogere temperaturen veel meer botsingen zijn. Als gevolg hiervan neemt de weerstand van de gassen tegen stroming toe.
Ook de vorm van de moleculen in een vloeistof kan de viscositeit beïnvloeden. Rondere moleculen kunnen gemakkelijker langs elkaar rollen dan moleculen met vertakkingen en minder uniforme vormen. (Stel je voor dat je een emmer knikkers uitgiet in plaats van een stel vijzels.)
Schuifspanning en schuifsnelheid
Twee factoren die betrekking hebben op de wiskundige formulering van viscositeit zijn afschuifspanning en afschuifsnelheid. Om de formele definitie van viscositeit te begrijpen, is het eerst belangrijk om de definities van deze grootheden te begrijpen.
Beschouw de methode om de vloeistofstroom te benaderen als vloeistoflagen die langs elkaar stromen. Als we denken aan een stromende vloeistof als deze, is de schuifspanning de kracht die de ene laag over de andere duwt, gedeeld door het oppervlak van de lagen. Meer formeel kan dit worden uitgedrukt als de verhouding van de krachtFtoegepast met het oppervlak van de dwarsdoorsnedeEENvan het materiaal dat evenwijdig is aan de uitgeoefende kracht.
Schuifspanning wordt vaak aangeduid met de Griekse letter tauτ, en daarom is de bijbehorende wiskundige uitdrukking:
\tau = \frac{F}{A}
Afschuifsnelheid is in wezen de snelheid waarmee de vloeistoflagen langs elkaar bewegen. Meer formeel wordt het als volgt gedefinieerd:
\dot{\gamma}=\frac{\Delta v}{x}
Waarvis het verschil in snelheid tussen twee lagen, enXis de laagscheiding.
De notatie van γ met de punt is omdat γ de afschuiving is, en een eerste afgeleide (de veranderingssnelheid) van een variabele wordt vaak aangeduid met een punt boven de bijbehorende variabele. Met behulp van calculus zou de continue afschuifsnelheid worden gegeven als:dv/dxin plaats daarvan en wordt ook wel de snelheidsgradiënt genoemd.
Soorten viscositeit
Viscositeit is er in een paar verschillende soorten. Er isdynamischviscositeit, ook wel genoemdabsoluutviscositeit, wat meestal de viscositeit is waarnaar wordt verwezen wanneer eenvoudigweg "viscositeit" wordt gezegd. Maar er is ookkinematischviscositeit, die een iets andere wiskundige formulering heeft.
Dynamische of absolute viscositeit is de verhouding van afschuifspanning tot afschuifsnelheid, zoals weergegeven in de volgende vergelijking:
\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}}
Een gebruikelijke formulering van deze relatie wordt de vergelijking van Newton genoemd en wordt als volgt geschreven:
\frac{F}{A} = \eta \frac{\Delta v}{x}
Kinematische viscositeit wordt gedefinieerd als de absolute viscositeit gedeeld door de massadichtheid:
\nu = \frac{\eta}{\rho}
Beschouw twee vloeistoffen die dezelfde dynamische viscositeit kunnen hebben, maar verschillende massadichtheden. Deze twee vloeistoffen zullen onder invloed van de zwaartekracht met verschillende snelheden uit een container stromen omdat een gelijke hoeveelheid van elk zal verschillende zwaartekrachten hebben die op hen inwerken (evenredig met hun) massa). De kinematische viscositeit houdt hier rekening mee door te delen door de massadichtheid, en kan daarom worden beschouwd als een maat voor de weerstand tegen stroming onder invloed van alleen de zwaartekracht.
Eenheden van viscositeit
Gebruik van SI-eenheden, aangezien de schuifspanning in N/m. was2 en de afschuifsnelheid was in (m/s)/m = 1/s, dan heeft dynamische viscositeit eenheden van Ns/m2 = Pa s (pascal-seconde). De meest gebruikelijke eenheid van viscositeit is echter de dyne-seconde per vierkante centimeter (dyne s/cm2) waarbij 1 dyne = 10-5 N. Eén dyne-seconde per vierkante centimeter heet aevenwichtnaar de Franse fysioloog Jean Poiseuille. Eén pascal-seconde is gelijk aan 10 poise.
De SI-eenheid van kinematische viscositeit is eenvoudig m2/s, hoewel een meer gebruikelijke eenheid in het CGS-systeem de vierkante centimeter per seconde is, die een stoke (St) wordt genoemd naar de Ierse natuurkundige George Stokes.
Typische viscositeitswaarden
De meeste vloeistoffen hebben viscositeiten tussen 1 en 1.000 mPa s, terwijl gassen een lage viscositeit hebben, meestal tussen 1-10 Pa s. De viscositeit van water is ongeveer 1.0020 mPa s, terwijl de viscositeit van bloed tussen de 3 en 4 mPa s ligt (wat een nieuwe betekenis geeft aan het gezegde dat bloed dikker is dan water!)
Bakoliën hebben viscositeiten tussen ongeveer 25 en 100 mPa.s, terwijl motorolie en machineoliën viscositeiten hebben in de orde van grootte van enkele honderden mPa.s.
De lucht die je inademt heeft een viscositeit van ongeveer 18 μPa s.
Gesmolten glas is een van de meest viskeuze vloeistoffen die er is met een hoge viscositeit die oneindig nadert naarmate het stolt. Op het smeltpunt is de viscositeit van glas ongeveer 10 Pa s, terwijl deze op het werkpunt met een factor 100 toeneemt en met een factor meer dan 1011 op zijn gloeipunt.
Newtoniaanse vloeistoffen
Een Newtonion-vloeistof is een vloeistof waarin de schuifspanning lineair gerelateerd is aan de schuifsnelheid. In zo'n vloeistof is de viscositeit voor die vloeistof een constante waarde. (In een niet-Newtoniaanse vloeistof wordt viscositeit uiteindelijk een dynamische functie van een andere variabele, zoals tijd.)
Het is niet verrassend dat Newtonion-vloeistoffen gemakkelijker zijn om mee te werken en te modelleren. Handig is dat veel gebruikelijke vloeistoffen Newtonion zijn in een goede benadering. Sommige gedragingen die niet-Newtoniaanse vloeistoffen kunnen vertonen, zijn vloeistoffen waarvan de viscositeit verandert met de afschuifsnelheid, en vloeistoffen die minder of meer viskeus worden wanneer ze worden geschud, geschud of verstoord.
Water en lucht zijn voorbeelden van Newtonion-vloeistoffen. Voorbeelden van niet-Newtoniaanse vloeistoffen zijn non-drip verf, sommige polymeeroplossingen en zelfs bloed. Een favoriete niet-Newtoniaanse vloeistof op de basisschool is oobleck - een mengsel van maizena en water dat bijna vast werkt als er snel mee wordt gewerkt, en vervolgens smelt als het alleen wordt gelaten.
Tips
Hoe maak je oobleck:Meng 2 delen maizena met 1 deel water. Voeg eventueel een kleine hoeveelheid kleurstof toe. Probeer de oplossing te ponsen of er een bal van te maken en laat het dan in je handen smelten!
Viscositeit meten?
De viscositeit kan op verschillende manieren worden gemeten. Deze omvatten het gebruik van instrumenten zoals een viscosimeter of een willekeurig aantal doe-het-zelf-experimenten.
Viscosimeters worden het best gebruikt op Newtoniaanse vloeistoffen en werken meestal op twee manieren. Ofwel een klein object beweegt door een stationaire vloeistof, of de vloeistof stroomt langs een stationair object. Door de bijbehorende weerstand te meten, kan de viscositeit worden bepaald. Capillaire viscosimeters werken door de tijd te bepalen die een bepaald vloeistofvolume nodig heeft om door een capillaire buis van een bepaalde lengte te stromen. Vallende bal viscosimeters meten de tijd die een bal nodig heeft om onder invloed van de zwaartekracht door een monster te vallen.
Om de viscositeit van niet-Newtonse vloeistoffen te meten, wordt vaak een rheometer gebruikt. Reologie is de naam van een tak van de natuurkunde die de stroming van vloeistoffen en zachte vaste stoffen bestudeert en observeert hoe ze vervormen. Met een reometer kunnen meer variabelen worden bepaald bij het meten van de viscositeit, aangezien niet-Newtonse vloeistoffen geen constante viscositeitswaarden hebben. De twee belangrijkste soorten reometers zijn:scherenrheometers (die de toegepaste schuifspanning regelen) enextensioneelrheometers (die werken op basis van toegepaste externe schuifspanning).
DIY-viscositeitsmeting
Hieronder wordt beschreven hoe u met een paar eenvoudige materialen thuis de viscositeit van een vloeistof kunt meten. Om deze methode toe te passen, heb je echter eerst de wet van Stokes nodig. De wet van Stokes heeft betrekking op de sleepkrachtFop een kleine bol die door een stroperige vloeistof beweegt naar de viscositeit, straal van de bolren eindsnelheid van de bolv, via:
F = 6\pi \eta r v
Nu je deze wet hebt, kun je je eigen vallende bal-viscosimeter maken.
Dingen die je nodig hebt
- Heerser
- stopwatch
- Een grote gegradueerde cilinder
- Een kleine marmeren of stalen bal
- Een vloeistof waarvan u de viscositeit wilt meten
Bereken de dichtheid van de vloeistof door een bekend volume van de vloeistof te wegen en de massa te delen door het volume.
Bereken de dichtheid van de bal door eerst de diameter te meten en de formule V = 4/3πr. te gebruiken3 om het volume te berekenen. Weeg vervolgens de bal en deel de massa door het volume.
Meet de eindsnelheid van de bal terwijl deze door de vloeistof in de maatcilinder valt. In een dikke vloeistof zal de knikker vrij snel een constante snelheid bereiken. Meet hoe lang het duurt voordat de bal tussen twee gemarkeerde punten op de maatcilinder passeert en deel die afstand vervolgens door de tijd om de snelheid te bepalen.
De viscositeit van de vloeistof kan worden gevonden met behulp van de wet van Stokes en het oplossen van viscositeit:
\eta = \frac{F}{6\pi rv}
Waar F in dit geval de weerstandskracht is. Om de weerstandskracht te bepalen, moet u de nettokrachtvergelijking schrijven en deze oplossen. De nettokrachtvergelijking wanneer de bal op eindsnelheid is, is:
F_net = F_b + F - F_g = 0
WaarFbis opwaartse kracht enFgis de zwaartekracht. Als je F oplost en expressies invoegt, krijg je:
F = F_g - F_b = \rho_bV_bg-\rho_fV_bg = 4/3\pi r^3(\rho_b-\rho_f)
WaarVbis het volume van de bal,ρbis de dichtheid van de bal enρf is de dichtheid van de vloeistof.
Vandaar dat de formule voor viscositeit wordt:
\eta = \frac{2r^2g(\rho_b-\rho_f)}{9v}
Voer eenvoudig uw gemeten waarden in voor de straal van de bal, de dichtheid van de bal en van de vloeistof, en de eindsnelheid om het eindresultaat te berekenen.
