Kategorien avvæskeromfatter mange forskjellige stoffer som kan skilles fra hverandre på mange måter, inkludert kjemisk sammensetning, polaritet, tetthet og så videre. En annen egenskap for væsker er en mengde kjent somviskositet.
Hva er viskositet?
Anta at du har en kopp vann og en kopp sirup. Når du heller væskene fra disse koppene, merker du en tydelig forskjell i hvordan hver væske strømmer. Vannet helles raskt og enkelt ut mens sirupen helles saktere. Denne forskjellen skyldes en forskjell i viskositeten.
Viskositet er et mål på væskens strømningsmotstand. Det kan også tenkes som et mål på væskens tykkelse eller dens motstand mot gjenstander som passerer gjennom den. Jo større motstand mot strømning, jo høyere viskositet, så i det forrige eksemplet har sirupen høyere viskositet enn vann.
Hva forårsaker viskositet?
Viskositet er forårsaket av intern friksjon mellom molekylene i en væske. Tenk på en flytende væske som består av lag som beveger seg i forhold til hverandre. Disse lagene gni mot hverandre, og jo større friksjon, jo langsommere strømning (eller jo mer kraft kreves for å oppnå flyt).
Mange faktorer kan påvirke stoffets viskositet; blant disse er temperatur. Husk at temperaturen er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl i et stoff. En høyere gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl resulterer i raskere bevegelige molekyler og dermed en lavere viskositet for væsker. Hvis du for eksempel varmes opp sirup i mikrobølgeovn, kan du merke at den strømmer lettere.
For gasser får en høyere temperatur dem faktisk til å "tykne", og deres viskositet øker med temperaturen. Dette er fordi for gasser ved lave temperaturer, kolliderer molekylene sjelden eller interagerer med hverandre, mens det ved høyere temperaturer er mange flere kollisjoner. Som et resultat øker gassens motstand mot strømning.
Formen på molekylene i en væske kan også påvirke viskositeten. Rundere molekyler kan rulle forbi hverandre lettere enn molekyler med grener og mindre ensartede former. (Tenk deg å helle en bøtte med kuler utover å helle en haug med knekt.)
Skjærspenning og skjærhastighet
To faktorer som er relatert til den matematiske formuleringen av viskositet er skjærspenning og skjærhastighet. For å forstå den formelle definisjonen av viskositet, er det først viktig å forstå definisjonene av disse størrelsene.
Vurder metoden for tilnærming av væskestrøm som lag av væske som strømmer forbi hverandre. Hvis vi tenker på et flytende fluid som dette, er skjærspenningen kraften som skyver et lag over et annet delt på arealet av lagene. Mer formelt kan dette oppgis som forholdet mellom kraftenFpåført med tverrsnittsområdetENav materialet som er parallelt med den påførte kraften.
Skjærspenning betegnes ofte med den greske bokstaven tauτ, og dermed er det tilsvarende matematiske uttrykket:
\ tau = \ frac {F} {A}
Skjærhastighet er i det vesentlige hastigheten som fluidlagene beveger seg forbi hverandre. Mer formelt er det definert som følger:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Hvor Δver forskjellen i hastighet mellom to lag, ogxer lagseparasjonen.
Notasjonen av γ med prikken er fordi γ er skjæringen, og et første derivat (endringshastigheten) til en variabel blir ofte betegnet med en prikk over den tilknyttede variabelen. Ved bruk av kalkulator vil den kontinuerlige skjærhastigheten gis somdv / dxi stedet og blir også referert til som hastighetsgradienten.
Typer av viskositet
Viskositet finnes i noen forskjellige typer. Det erdynamiskviskositet, også kaltabsoluttviskositet, som vanligvis er viskositeten det refereres til når man bare sier "viskositet." Men det er ogsåkinematiskviskositet, som har en litt annen matematisk formulering.
Dynamisk eller absolutt viskositet er forholdet mellom skjærspenning og skjærhastighet, som vist i følgende ligning:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
En vanlig formulering av dette forholdet kalles Newtons ligning og er skrevet som følger:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematisk viskositet er definert som den absolutte viskositeten delt på massetetthet:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Tenk på to væsker som kan ha samme dynamiske viskositet, men forskjellige massetettheter. Disse to væskene vil strømme ut av en beholder i forskjellige hastigheter under påvirkning av tyngdekraften fordi en lik mengde av hver vil ha forskjellige gravitasjonskrefter som virker på dem (proporsjonal med deres masser). Den kinematiske viskositeten tar hensyn til dette ved å dele på massetettheten, og kan derfor betraktes som et mål for motstand mot å strømme under påvirkning av tyngdekraften alene.
Enheter av viskositet
Ved bruk av SI-enheter, siden skjærspenning var i N / m2 og skjærhastighet var i (m / s) / m = 1 / s, så har dynamisk viskositet enheter på Ns / m2 = Pa s (pascal-sekund). Imidlertid er den vanligste viskositetsenheten dyne-sekund per kvadratcentimeter (dyne s / cm2) hvor 1 dyne = 10-5 N. Ett dynesekund per kvadratcentimeter kalles akroppsholdningetter fransk fysiolog Jean Poiseuille. Ett pascal-sekund er lik 10 poise.
SI-enheten med kinematisk viskositet er ganske enkelt m2/ s, selv om en mer vanlig enhet i CGS-systemet er kvadratcentimeteren per sekund, som kalles en stoke (St) etter den irske fysikeren George Stokes.
Typiske viskositetsverdier
De fleste væsker har viskositeter mellom 1 og 1000 mPa s mens gasser har lav viskositet, vanligvis mellom 1-10 μPa s. Viskositeten til vann er omtrent 1,0020 mPa s mens viskositeten til blod er mellom 3 og 4 mPa s (gir ny betydning til ordtaket om at blod er tykkere enn vann!)
Matoljer har viskositeter mellom 25 og 100 mPa s, mens motorolje og maskinoljer har viskositet i størrelsesorden noen hundre mPa s.
Luften du puster inn, har en viskositet på ca. 18 μPa s.
Smeltet glass er en av de mest viskøse væskene som finnes med høy viskositet som nærmer seg uendelig når det stivner. Ved smeltepunktet er glassets viskositet omtrent 10 Pa s, mens denne øker med en faktor på 100 ved sitt arbeidspunkt og med en faktor på mer enn 1011 på sin annealing punkt.
Newtonske væsker
En Newtonion-væske er en der skjærspenningen er lineært relatert til skjærhastigheten. I en slik væske er viskositeten for den væsken en konstant verdi. (I en ikke-newtonsk væske ender viskositeten med å være en dynamisk funksjon av en annen variabel, for eksempel tid.)
Ikke overraskende er Newtonion-væsker lettere å jobbe med og modellere. Hensiktsmessig er mange vanlige væsker Newtonion til en god tilnærming. Noe atferd som ikke-newtonske væsker kan utvise inkluderer væsker der viskositeten endres med skjærhastighet, og væsker som blir mindre eller mer tyktflytende når de ristes, rystes eller forstyrres.
Vann og luft er eksempler på Newtonion-væsker. Eksempler på ikke-newtonske væsker er ikke dryppemaling, noen polymerløsninger og til og med blod. Én grunnskolefavoritt som ikke er newtonsisk, er oobleck - en blanding av maisstivelse og vann som virker nesten solid når det jobbes raskt, og deretter smelter når den blir alene.
Tips
Hvordan lage oobleck:Bland 2 deler maisenna til 1 del vann. Tilsett en liten mengde matfargestoffer om ønskelig. Prøv å stanse løsningen eller form til en kule og la den smelte i hendene!
Hvordan måle viskositet
Viskositet kan måles på flere forskjellige måter. Disse inkluderer bruk av instrumenter som et viskosimeter eller et hvilket som helst antall DIY-eksperimenter.
Viskosimeter er best brukt på newtonske væsker og har en tendens til å fungere på en av to måter. Enten beveger en liten gjenstand seg gjennom en stasjonær væske, eller så flyter væsken forbi en stasjonær gjenstand. Ved å måle tilhørende drag kan viskositeten bestemmes. Kapillærviskosimeter fungerer ved å bestemme tiden det tar for et bestemt væskevolum å strømme gjennom et kapillarrør av en viss lengde. Fallende ballviskosimeter måler tiden det tar for en ball å falle gjennom en prøve under påvirkning av tyngdekraften.
For å måle viskositeten til ikke-newtonske væsker, brukes ofte et reometer. Reologi er navnet på en gren av fysikk som studerer strømmen av væsker og myke faste stoffer og observerer hvordan de deformeres. Et reometer gjør det mulig å bestemme flere variabler ved måling av viskositet siden ikke-newtonske væsker ikke har konstante viskositetsverdier. De to hovedtyper reometre erklippereometre (som styrer påført skjærspenning) ogutvidelsereometre (som opererer basert på påført ekstern skjærspenning).
DIY viskositetsmåling
Det følgende beskriver hvordan du kan måle viskositeten til en væske hjemme ved hjelp av noen få enkle materialer. For å kunne bruke denne metoden, trenger du imidlertid først Stokes lov. Stokes lov relaterer til dragkraftenFpå en liten kule som beveger seg gjennom en tyktflytende væske til viskositeten, kuleens radiusrog terminalhastighet på sfærenv, via:
F = 6 \ pi \ eta r v
Nå som du har denne loven, kan du lage din egen fallende ballviskosimeter.
Ting du trenger
- Hersker
- Stopp vakt
- En stor gradert sylinder
- En liten kule i marmor eller stål
- En væske hvis viskositet du vil måle
Beregn væskens tetthet ved å veie et kjent volum av væsken og dele dens masse med volumet.
Beregn tettheten til ballen ved først å måle diameteren og bruke formelen V = 4 / 3πr3 for å beregne volumet. Vei deretter ballen og del massen på volumet.
Mål kulens endelige hastighet når den faller gjennom væsken i den graduerte sylinderen. I en tykk væske når marmoren ganske raskt en konstant hastighet. Tid hvor lang tid det tar før ballen passerer mellom to markerte punkter på den graduerte sylinderen, og del deretter avstanden med tiden for å bestemme hastigheten.
Viskositeten til væsken kan bli funnet ved hjelp av Stokes lov og løsning for viskositet:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Hvor F i dette tilfellet er dragkraften. For å bestemme dragkraften, må du skrive nettokraftligningen og løse den. Netto kraftligningen når ballen har terminalhastighet er:
F_net = F_b + F - F_g = 0
HvorFber flytende kraft ogFger gravitasjonskraften. Å løse for F og plugge inn uttrykk, får du:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
HvorVber ballens volum,ρber tettheten av ballen ogρf er væskens tetthet.
Derfor blir formelen for viskositet:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Bare koble til dine målte verdier for ballens radius, tettheten til ballen og væsken og terminalhastigheten for å beregne det endelige resultatet.
