Categoria delichidecuprinde multe substanțe diferite care pot fi distinse unele de altele în numeroase moduri, inclusiv compoziția chimică, polaritatea, densitatea și așa mai departe. O altă proprietate a fluidelor este o cantitate cunoscută sub numele deviscozitate.
Ce este viscozitatea?
Să presupunem că ai o ceașcă de apă și o ceașcă de sirop. Când turnați lichidele din aceste cupe, observați o diferență distinctă în modul în care curge fiecare lichid. Apa se revarsă rapid și ușor, în timp ce siropul se revarsă mai încet. Această diferență se datorează unei diferențe de vâscozitate a acestora.
Vâscozitatea este o măsură a rezistenței fluidului la curgere. De asemenea, poate fi gândit ca o măsură a grosimii unui fluid sau a rezistenței acestuia la obiecte care trec prin el. Cu cât rezistența la curgere este mai mare, cu atât vâscozitatea este mai mare, deci în exemplul anterior, siropul are o vâscozitate mai mare decât apa.
Ce cauzează vâscozitatea?
Vâscozitatea este cauzată de frecarea internă dintre moleculele dintr-un fluid. Gândiți-vă la un fluid care curge ca fiind format din straturi care se mișcă unul în raport cu celălalt. Aceste straturi se freacă unul împotriva celuilalt și, cu cât fricțiunea este mai mare, cu atât debitul este mai lent (sau cu atât este mai mare forța necesară pentru a atinge debitul).
Mulți factori pot afecta vâscozitatea unei substanțe; printre acestea se numără temperatura. Amintiți-vă că temperatura este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă dintr-o substanță. O energie cinetică medie mai mare pe moleculă are ca rezultat molecule cu mișcare mai rapidă și, prin urmare, o viscozitate mai mică pentru lichide. De exemplu, dacă încălziți siropul într-un cuptor cu microunde, ați putea observa că acesta curge mai ușor.
Cu toate acestea, pentru gaze, o temperatură mai ridicată determină „îngroșarea” lor, iar vâscozitatea lor crește odată cu temperatura. Acest lucru se datorează faptului că pentru gazele la temperaturi scăzute, moleculele se ciocnesc rareori sau interacționează între ele, în timp ce la temperaturi mai ridicate există mult mai multe coliziuni. Ca urmare, rezistența gazelor la curgere crește.
Forma moleculelor dintr-un fluid poate afecta și vâscozitatea. Moleculele mai rotunde se pot rostogoli una peste alta mai ușor decât moleculele cu ramuri și forme mai puțin uniforme. (Imaginați-vă să turnați o găleată de marmură în afară de a turna o grămadă de cricuri.)
Stresul de forfecare și rata de forfecare
Doi factori care se referă la formularea matematică a vâscozității sunt tensiunea de forfecare și rata de forfecare. Pentru a înțelege definiția formală a vâscozității, este mai întâi important să înțelegem definițiile acestor mărimi.
Luați în considerare metoda de aproximare a debitului fluidului ca straturi de fluid care curg unele peste altele. Dacă ne gândim la un fluid care curge ca acesta, stresul de forfecare este forța care împinge un strat peste altul împărțit la aria straturilor. Mai formal, acest lucru poate fi declarat ca raportul forțeiFaplicat cu aria secțiunii transversaleAa materialului care este paralel cu forța aplicată.
Stresul de forfecare este adesea notat cu litera greacă tauτși, prin urmare, expresia matematică corespunzătoare este:
\ tau = \ frac {F} {A}
Rata de forfecare este, în esență, rata la care straturile de fluid se deplasează unele peste altele. Mai formal este definit astfel:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Unde Δveste diferența de viteză între două straturi șiXeste separarea stratului.
Notarea lui γ cu punctul se datorează faptului că γ este forfecarea și o primă derivată (rata de schimbare) a unei variabile este adesea notată cu un punct deasupra variabilei asociate. Folosind calculul, viteza de forfecare continuă ar fi dată cadv / dxîn schimb și este denumit și gradientul de viteză.
Tipuri de viscozitate
Viscozitatea vine în câteva tipuri diferite. Existădinamicvâscozitate, numită șiabsolutvâscozitate, care este de obicei vâscozitatea la care se face referire atunci când se spune pur și simplu „vâscozitate”. Dar există șicinematicvâscozitatea, care are o formulare matematică ușor diferită.
Vâscozitatea dinamică sau absolută este raportul dintre tensiunea de forfecare și viteza de forfecare, așa cum se arată în următoarea ecuație:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ punct {\ gamma}}
O formulare comună a acestei relații se numește ecuația lui Newton și este scrisă după cum urmează:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Vâscozitatea cinematică este definită ca vâscozitatea absolută împărțită la densitatea masei:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Luați în considerare două fluide care ar putea avea aceeași vâscozitate dinamică, dar densități de masă diferite. Aceste două fluide se vor revărsa dintr-un recipient la viteze diferite sub influența gravitației, deoarece un cantitatea egală din fiecare va avea forțe gravitaționale diferite care acționează asupra lor (proporționale cu a lor mase). Vâscozitatea cinematică ia în considerare acest lucru prin împărțirea la densitatea masei și, prin urmare, poate fi considerată o măsură a rezistenței la curgere sub influența gravitației.
Unități de viscozitate
Folosind unități SI, deoarece tensiunea de forfecare era în N / m2 iar viteza de forfecare a fost în (m / s) / m = 1 / s, apoi vâscozitatea dinamică are unități de Ns / m2 = Pa s (pascal-second). Cu toate acestea, cea mai comună unitate de vâscozitate este dyna-secundă pe centimetru pătrat (dyne s / cm2) unde 1 dyne = 10-5 N. O dyne-secundă pe centimetru pătrat se numește aechilibrudupă fiziologul francez Jean Poiseuille. O pascal-secundă este egală cu 10 echilibru.
Unitatea SI de vâscozitate cinematică este pur și simplu m2/ s, deși o unitate mai comună în sistemul CGS este centimetrul pătrat pe secundă, care se numește stoke (St) după fizicianul irlandez George Stokes.
Valori tipice de viscozitate
Majoritatea lichidelor au vâscozități cuprinse între 1 și 1.000 mPa s, în timp ce gazele au vâscozitate scăzută, de obicei între 1-10 μPa s. Vâscozitatea apei este de aproximativ 1,0020 mPa s, în timp ce vâscozitatea sângelui este cuprinsă între 3 și 4 mPa s (conferind un nou sens cuvântului că sângele este mai gros decât apa!)
Uleiurile de gătit au vâscozități cuprinse între 25 și 100 mPa s, în timp ce uleiul de motor și uleiurile pentru mașini au vâscozități de ordinul a câteva sute de mPa s.
Aerul pe care îl respiri are o vâscozitate de aproximativ 18 μPa s.
Sticla topită este unul dintre cele mai vâscoase fluide cu o vâscozitate ridicată care se apropie de infinit pe măsură ce se solidifică. La punctul său de topire, vâscozitatea sticlei este de aproximativ 10 Pa s, în timp ce aceasta crește cu un factor de 100 la punctul său de lucru și cu un factor de peste 1011 la punctul său de recoacere.
Fluide newtoniene
Un fluid Newtonion este unul în care tensiunea de forfecare este legată liniar de viteza de forfecare. Într-un astfel de fluid, vâscozitatea pentru acel fluid este o valoare constantă. (Într-un fluid non-newtonian, vâscozitatea ajunge să fie o funcție dinamică a unei alte variabile, cum ar fi timpul.)
Nu este surprinzător că fluidele Newtonion sunt mai ușor de lucrat și modelat. În mod convenabil, multe lichide obișnuite sunt Newtonion la o bună aproximare. Unele comportamente pe care le-ar putea prezenta fluidele non-newtoniene includ fluide în care vâscozitatea se schimbă odată cu viteza de forfecare și fluide care devin mai puțin sau mai vâscoase atunci când sunt agitate, agitate sau perturbate.
Apa și aerul sunt exemple de fluide Newtonion. Exemple de fluide non-newtoniene sunt vopseaua fără picurare, unele soluții polimerice și chiar sângele. Un lichid non-newtonian preferat de școala primară este oobleck - un amestec de amidon de porumb și apă care acționează aproape solid când se lucrează rapid și apoi se topește când este lăsat singur.
sfaturi
Cum se face oobleck:Se amestecă 2 părți de amidon de porumb cu 1 parte de apă. Adăugați o cantitate mică de colorant alimentar, dacă doriți. Încercați să înțepați soluția sau să formați o minge și apoi lăsați-o să se topească în mâini!
Cum se măsoară viscozitatea
Viscozitatea poate fi măsurată în mai multe moduri diferite. Acestea includ utilizarea instrumentelor precum un viscozimetru sau orice număr de experimente DIY.
Viscometrele sunt folosite cel mai bine pe fluidele newtoniene și tind să funcționeze prin una din cele două căi. Fie un obiect mic se mișcă printr-un fluid staționar, fie fluidul curge pe lângă un obiect staționar. Măsurând rezistența asociată, se poate determina vâscozitatea. Viscometrele capilare funcționează determinând timpul necesar pentru ca un anumit volum de fluid să curgă printr-un tub capilar de o anumită lungime. Viscometrele cu bile care cad, măsoară timpul necesar unei mingi pentru a cădea printr-o probă sub influența gravitației.
Pentru a măsura vâscozitatea fluidelor non-newtoniene, este adesea folosit un reometru. Reologia este numele unei ramuri a fizicii care studiază fluxul de fluide și solide moi și observă modul în care acestea se deformează. Un reometru permite determinarea mai multor variabile la măsurarea vâscozității, deoarece fluidele non-newtoniene nu au valori de vâscozitate constante. Cele două tipuri principale de reometre suntforfecarereometre (care controlează tensiunea de forfecare aplicată) șiextensionalreometre (care funcționează pe baza tensiunii de forfecare externe aplicate).
Măsurarea vâscozității DIY
În cele ce urmează este descris modul în care puteți măsura vâscozitatea unui fluid acasă folosind câteva materiale simple. Cu toate acestea, pentru a aplica această metodă, veți avea nevoie mai întâi de legea lui Stokes. Legea lui Stokes raportează forța de tragereFpe o mică sferă care se mișcă printr-un fluid vâscos până la vâscozitatea, raza sfereirși viteza terminală a sfereiv, prin intermediul:
F = 6 \ pi \ eta r v
Acum că aveți această lege, vă puteți crea propriul vâscozimetru cu bilă care cade.
Lucruri de care ai nevoie
- Rigla
- Stop ceas
- Un cilindru mare absolvent
- O bilă mică de marmură sau oțel
- Un fluid a cărui vâscozitate doriți să o măsurați
Calculați densitatea fluidului cântărind un volum cunoscut al fluidului și împărțind masa acestuia la volum.
Calculați densitatea mingii măsurând mai întâi diametrul acesteia și folosind formula V = 4 / 3πr3 pentru a-i calcula volumul. Apoi cântărește bila și împarte masa la volum.
Măsurați viteza maximă a mingii pe măsură ce cade prin fluidul din cilindrul gradat. Într-un fluid gros, marmura va atinge o viteză constantă destul de rapid. Timp cât durează mingea să treacă între două puncte marcate pe cilindrul gradat și apoi împarte distanța respectivă cu timpul pentru a determina viteza.
Vâscozitatea fluidului poate fi găsită folosind legea lui Stokes și rezolvând vâscozitatea:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Unde F în acest caz este forța de tracțiune. Pentru a determina forța de tragere, trebuie să scrieți ecuația forței nete și să o rezolvați. Ecuația forței nete atunci când bila este la viteza maximă este:
F_net = F_b + F - F_g = 0
UndeFbeste forță plutitoare șiFgeste forța gravitațională. Rezolvând F și conectând expresii, veți obține:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
UndeVbeste volumul mingii,ρbeste densitatea mingii șiρf este densitatea fluidului.
Prin urmare, formula pentru vâscozitate devine:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Pur și simplu conectați valorile măsurate pentru raza mingii, densitatea mingii și a fluidului și viteza maximă pentru a calcula rezultatul final.