Категорияжидкостивключает в себя множество различных веществ, которые можно отличить друг от друга множеством способов, включая химический состав, полярность, плотность и так далее. Еще одно свойство жидкостей - это величина, известная каквязкость.
Что такое вязкость?
Предположим, у вас есть чашка воды и чашка сиропа. Когда вы наливаете жидкости из этих чашек, вы заметите четкую разницу в том, как течет каждая жидкость. Вода выливается быстро и легко, сироп - медленнее. Это различие связано с разницей в их вязкости.
Вязкость - это мера сопротивления жидкости течению. Его также можно рассматривать как меру толщины жидкости или ее сопротивления объектам, проходящим через нее. Чем больше сопротивление потоку, тем выше вязкость, поэтому в предыдущем примере сироп имеет более высокую вязкость, чем вода.
Что вызывает вязкость?
Вязкость вызвана внутренним трением между молекулами жидкости. Представьте, что текущая жидкость состоит из слоев, движущихся относительно друг друга. Эти слои трутся друг о друга, и чем больше трение, тем медленнее поток (или тем больше силы требуется для достижения потока).
На вязкость вещества могут влиять многие факторы; среди них температура. Напомним, что температура - это мера средней кинетической энергии, приходящейся на молекулу вещества. Более высокая средняя кинетическая энергия на молекулу приводит к более быстрому движению молекул и, следовательно, к более низкой вязкости жидкостей. Например, если вы разогреете сироп в микроволновой печи, вы можете заметить, что он легче течет.
Однако для газов более высокая температура фактически заставляет их «загустевать», и их вязкость увеличивается с температурой. Это связано с тем, что для газов при низких температурах молекулы редко сталкиваются или взаимодействуют друг с другом, тогда как при более высоких температурах столкновений намного больше. В результате сопротивление газов потоку увеличивается.
Форма молекул жидкости также может влиять на вязкость. Более округлые молекулы могут проходить мимо друг друга легче, чем молекулы с разветвлениями и менее однородными формами. (Представьте, что вы выливаете ведро шариков, а не выливаете кучу домкратов.)
Напряжение сдвига и скорость сдвига
Два фактора, которые относятся к математической формулировке вязкости, - это напряжение сдвига и скорость сдвига. Чтобы понять формальное определение вязкости, сначала важно понять определения этих величин.
Рассмотрим метод аппроксимации потока жидкости как слоев жидкости, протекающих друг мимо друга. Если мы подумаем о текущей текучей среде, как это, напряжение сдвига - это сила, толкающая один слой через другой, деленная на площадь слоев. Более формально это можно выразить как отношение силыFприменяется с площадью поперечного сеченияАматериала, параллельного приложенной силе.
Напряжение сдвига часто обозначается греческой буквой тау.τ, и, следовательно, соответствующее математическое выражение:
\ tau = \ frac {F} {A}
Скорость сдвига - это, по сути, скорость, с которой слои жидкости движутся мимо друг друга. Более формально это определяется следующим образом:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Где Δv- разница в скорости между двумя слоями, иИксэто разделение слоев.
Обозначение γ с точкой связано с тем, что γ - это сдвиг, а первая производная (скорость изменения) переменной часто обозначается точкой над соответствующей переменной. Используя расчет, скорость непрерывного сдвига может быть задана какdv / dxвместо этого и также называется градиентом скорости.
Типы вязкости
Вязкость бывает нескольких типов. Там естьдинамичныйвязкость, также называемаяабсолютныйвязкость, которая обычно представляет собой вязкость, которую называют просто «вязкость». Но есть ещекинематическийвязкость, имеющая несколько иную математическую формулировку.
Динамическая или абсолютная вязкость - это отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, как показано в следующем уравнении:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Обычная формулировка этой связи называется уравнением Ньютона и записывается следующим образом:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Кинематическая вязкость определяется как абсолютная вязкость, деленная на массовую плотность:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Рассмотрим две жидкости, которые могут иметь одинаковую динамическую вязкость, но разную массовую плотность. Эти две жидкости будут выливаться из контейнера с разной скоростью под действием силы тяжести, потому что равное количество каждого из них будет иметь разные гравитационные силы, действующие на них (пропорциональные их масс). Кинематическая вязкость учитывает это путем деления на массовую плотность и, следовательно, может рассматриваться как мера сопротивления потоку под действием только силы тяжести.
Единицы вязкости
В единицах СИ, поскольку напряжение сдвига было в Н / м2 и скорость сдвига была в (м / с) / м = 1 / с, тогда динамическая вязкость выражалась в единицах нс / м2 = Па · с (паскаль-секунда). Однако наиболее распространенной единицей вязкости является дин-секунда на квадратный сантиметр (дин-с / см2) где 1 дин = 10-5 Н. Одна дина-секунда на квадратный сантиметр называетсяуравновешенностьв честь французского физиолога Жана Пуазейля. Одна паскаль-секунда равна 10 пуазам.
Единица измерения кинематической вязкости в системе СИ - это просто м2/ с, хотя более распространенной единицей в системе CGS является квадратный сантиметр в секунду, который называется стоком (St) в честь ирландского физика Джорджа Стоукса.
Типичные значения вязкости
Большинство жидкостей имеют вязкость от 1 до 1000 мПа с, тогда как газы имеют низкую вязкость, обычно от 1 до 10 мкПа с. Вязкость воды составляет около 1,0020 мПа с, в то время как вязкость крови составляет от 3 до 4 мПа с (придает новый смысл высказыванию о том, что кровь гуще воды!)
Кулинарные масла имеют вязкость от 25 до 100 мПа с, в то время как моторное масло и машинные масла имеют вязкость порядка нескольких сотен мПа с.
Воздух, которым вы дышите, имеет вязкость около 18 мкПа с.
Расплавленное стекло - одна из самых вязких жидкостей с высокой вязкостью, приближающейся к бесконечности при затвердевании. При температуре плавления вязкость стекла составляет около 10 Па · с, в то время как в рабочей точке она увеличивается в 100 раз и более чем в 10 раз.11 в точке отжига.
Ньютоновские жидкости
Жидкость типа Newtonion - это жидкость, в которой напряжение сдвига линейно связано со скоростью сдвига. В такой жидкости вязкость для этой жидкости является постоянной величиной. (В неньютоновской жидкости вязкость оказывается динамической функцией другой переменной, например времени.)
Неудивительно, что с жидкостями Newtonion легче работать и моделировать. Удобно, что многие обычные жидкости в хорошем приближении являются ньютонионами. Некоторое поведение, которое могут проявлять неньютоновские жидкости, включает жидкости, в которых вязкость изменяется в зависимости от скорости сдвига, и жидкости, которые становятся менее или более вязкими при встряхивании, взбалтывании или перемешивании.
Вода и воздух - примеры жидкостей Newtonion. Примерами неньютоновских жидкостей являются непротекающая краска, некоторые полимерные растворы и даже кровь. Любимая неньютоновская жидкость в начальной школе - облек - смесь кукурузного крахмала и воды, которая действует почти твердо, если с ней быстро работать, а затем тает, если оставить ее в покое.
Советы
Как приготовить облек:Смешайте 2 части кукурузного крахмала с 1 частью воды. При желании добавьте небольшое количество пищевого красителя. Попробуйте пробить раствор или скатать его в шар, а затем дать ему растаять в ваших руках!
Как измерить вязкость
Вязкость можно измерить несколькими способами. К ним относятся использование таких инструментов, как вискозиметр, или любое количество экспериментов своими руками.
Вискозиметры лучше всего использовать с ньютоновскими жидкостями и, как правило, работают одним из двух способов. Либо небольшой объект движется через неподвижную жидкость, либо жидкость течет мимо неподвижного объекта. Измеряя соответствующее сопротивление, можно определить вязкость. Капиллярные вискозиметры работают, определяя время, необходимое для прохождения определенного объема жидкости через капиллярную трубку определенной длины. Вискозиметры с падающим шариком измеряют время, за которое шарик проходит сквозь образец под действием силы тяжести.
Для измерения вязкости неньютоновских жидкостей часто используется реометр. Реология - это раздел физики, который изучает течение жидкостей и мягких твердых тел и наблюдает, как они деформируются. Реометр позволяет определять больше переменных при измерении вязкости, поскольку неньютоновские жидкости не имеют постоянных значений вязкости. Два основных типа реометров:срезатьреометры (которые контролируют приложенное напряжение сдвига) иэкстенсиональныйреометры (которые работают на основе приложенного внешнего напряжения сдвига).
Измерение вязкости своими руками
Ниже описывается, как можно измерить вязкость жидкости в домашних условиях, используя несколько простых материалов. Однако, чтобы применить этот метод, вам сначала понадобится закон Стокса. Закон Стокса связывает силу сопротивленияFна малой сфере, движущейся через вязкую жидкость до вязкости, радиус сферыри конечная скорость сферыv, через:
F = 6 \ pi \ eta r v
Теперь, когда у вас есть этот закон, вы можете создать свой собственный вискозиметр с падающим шариком.
Вещи, которые вам понадобятся
- Правитель
- Секундомер
- Большой градуированный цилендер
- Небольшой мраморный или стальной шар
- Жидкость, вязкость которой вы хотите измерить
Рассчитайте плотность жидкости, взвесив известный объем жидкости и разделив ее массу на объем.
Рассчитайте плотность шара, сначала измерив его диаметр и используя формулу V = 4 / 3πr3 рассчитать его объем. Затем взвесьте мяч и разделите массу на объем.
Измерьте конечную скорость шара, когда он проходит через жидкость в градуированном цилиндре. В густой жидкости мрамор довольно быстро достигает постоянной скорости. Определите время, за которое мяч проходит между двумя отмеченными точками на градуированном цилиндре, а затем разделите это расстояние на время, чтобы определить скорость.
Вязкость жидкости можно найти с помощью закона Стокса и решения для вязкости:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Где F в данном случае - сила сопротивления. Чтобы определить силу сопротивления, вы должны написать уравнение чистой силы и решить его. Уравнение чистой силы, когда мяч движется с конечной скоростью, выглядит следующим образом:
F_net = F_b + F - F_g = 0
ГдеFбэто плавучая сила иFграммэто сила тяжести. Решая для F и вставляя выражения, вы получаете:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
ГдеVбобъем мяча,ρбплотность шара иρж это плотность жидкости.
Следовательно, формула вязкости принимает следующий вид:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Просто введите измеренные значения радиуса шара, плотности шара и жидкости, а также конечной скорости, чтобы вычислить окончательный результат.