KategóriatekutínZahŕňa mnoho rôznych látok, ktoré sa dajú navzájom odlíšiť mnohými spôsobmi, vrátane chemického zloženia, polarity, hustoty atď. Ďalšou vlastnosťou tekutín je množstvo známe akoviskozita.
Čo je to viskozita?
Predpokladajme, že máte pohár vody a pohár sirupu. Pri nalievaní tekutín z týchto pohárov si všimnete výrazný rozdiel v tom, ako jednotlivé kvapaliny tečú. Voda sa vylieva rýchlo a ľahko, zatiaľ čo sirup sa leje pomalšie. Tento rozdiel je spôsobený rozdielom v ich viskozitách.
Viskozita je mierou odporu kvapaliny proti prúdeniu. Môže sa to tiež považovať za mieru hrúbky kvapaliny alebo jej odolnosti voči predmetom, ktoré ňou prechádzajú. Čím väčší je odpor proti tečeniu, tým vyššia je viskozita, takže v predchádzajúcom príklade má sirup vyššiu viskozitu ako voda.
Čo spôsobuje viskozitu?
Viskozita je spôsobená vnútorným trením medzi molekulami v tekutine. Predstavte si, že tečúca tekutina pozostáva z vrstiev, ktoré sa navzájom pohybujú. Tieto vrstvy sa navzájom otierajú a čím väčšie je trenie, tým pomalší je prietok (alebo väčšia sila potrebná na dosiahnutie prietoku).
Na viskozitu látky môže mať vplyv veľa faktorov; medzi nimi je teplota. Pripomeňme, že teplota je mierou priemernej kinetickej energie na molekulu v látke. Výsledkom vyššej priemernej kinetickej energie na molekulu sú rýchlejšie sa pohybujúce molekuly, a tým aj nižšia viskozita pre kvapaliny. Ak napríklad zohrejete sirup v mikrovlnnej rúre, môžete si všimnúť, že tečie ľahšie.
V prípade plynov však vyššia teplota v skutočnosti spôsobí ich „zahustenie“ a ich viskozita stúpa s teplotou. Je to tak preto, že pri plynoch pri nízkych teplotách molekuly zriedka kolidujú alebo interagujú navzájom, zatiaľ čo pri vyšších teplotách dochádza ku kolíziám omnoho viac. Vďaka tomu sa zvyšuje odolnosť plynov voči prúdeniu.
Tvar molekúl v tekutine môže tiež ovplyvniť viskozitu. Zaoblené molekuly sa môžu okolo seba ľahšie kotúľať ako molekuly s vetvami a menej jednotnými tvarmi. (Predstavte si, že vylejete vedro guľôčok a naopak vylejete hromadu zdvihákov.)
Šmykové napätie a šmyková rýchlosť
Dva faktory, ktoré súvisia s matematickou formuláciou viskozity, sú šmykové napätie a šmyková rýchlosť. Aby sme pochopili formálnu definíciu viskozity, je najskôr dôležité pochopiť definície týchto veličín.
Zvážte metódu aproximácie toku tekutín ako vrstvy tekutín tečúcich okolo seba. Ak uvažujeme o tečúcej tekutine, ako je táto, šmykové napätie je sila tlačiaca jednu vrstvu cez druhú vydelená plochou vrstiev. Formálnejšie to možno uviesť ako pomer silyFaplikovaný s plochou prierezuAmateriálu, ktorý je rovnobežný s použitou silou.
Šmykové napätie sa často označuje gréckym písmenom tauτ, a teda zodpovedajúci matematický výraz je:
\ tau = \ frac {F} {A}
Šmyková rýchlosť je v podstate rýchlosť, akou sa vrstvy tekutiny pohybujú okolo seba. Formálnejšie je definované takto:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Kde Δvje rozdiel v rýchlosti medzi dvoma vrstvami aXje oddelenie vrstiev.
Zápis γ s bodkou spočíva v tom, že γ je šmyk a prvá derivácia (rýchlosť zmeny) premennej sa často označuje bodkou nad príslušnou premennou. Pomocou kalkulu by sa dala spojitá šmyková rýchlosť akodv / dxnamiesto toho a označuje sa tiež ako gradient rýchlosti.
Druhy viskozity
Viskozita sa dodáva v niekoľkých rôznych druhoch. Existujedynamickýviskozita, nazývaná tiežabsolútnaviskozita, čo je zvyčajne viskozita, na ktorú sa hovorí, keď sa hovorí „viskozita“. Ale je tu tiežkinematickýviskozita, ktorá má trochu odlišné matematické zloženie.
Dynamická alebo absolútna viskozita je pomer šmykového napätia k šmykovej rýchlosti, ako je uvedené v nasledujúcej rovnici:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
Bežná formulácia tohto vzťahu sa nazýva Newtonova rovnica a je napísaná takto:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematická viskozita je definovaná ako absolútna viskozita vydelená hmotnostnou hustotou:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Zvážte dve kvapaliny, ktoré môžu mať rovnakú dynamickú viskozitu, ale rozdielne hmotnostné hustoty. Tieto dve tekutiny sa budú gravitačne vylievať z nádoby rôznymi rýchlosťami, pretože: rovnaké množstvo každého z nich bude mať rôzne gravitačné sily, ktoré na ne pôsobia (úmerne ich) omše). Kinematická viskozita to berie do úvahy vydelením hmotnostnou hustotou, a preto sa o nej dá uvažovať ako o miere odporu proti tečeniu iba pod vplyvom gravitácie.
Jednotky viskozity
Použitím jednotiek SI, pretože šmykové napätie bolo v N / m2 a šmyková rýchlosť bola v (m / s) / m = 1 / s, potom má dynamická viskozita jednotky Ns / m2 = Pa s (pascal-sekunda). Najbežnejšou jednotkou viskozity je však sekunda dynu na centimeter štvorcový (dyn s / cm2) kde 1 dyn = 10-5 N. Jedna dynsekunda na centimeter štvorcový sa nazýva avyrovnanosťpo francúzskom fyziológovi Jeanovi Poiseuilleovi. Jedna pascalová sekunda sa rovná 10 poise.
SI jednotka kinematickej viskozity je jednoducho m2/ s, aj keď bežnejšou jednotkou v systéme CGS je štvorcový centimeter za sekundu, ktorý sa po írskom fyzikovi Georgovi Stokesovi nazýva stoke (St).
Typické hodnoty viskozity
Väčšina kvapalín má viskozitu medzi 1 a 1 000 mPa s, zatiaľ čo plyny majú nízku viskozitu, zvyčajne medzi 1 - 10 μPa s. Viskozita vody je asi 1,0020 mPa s, zatiaľ čo viskozita krvi je medzi 3 a 4 mPa s (nový význam hovorí, že krv je hustejšia ako voda!)
Oleje na varenie majú viskozitu medzi 25 až 100 mPa s, zatiaľ čo motorový olej a strojový olej majú viskozitu rádovo niekoľko stoviek mPa s.
Vzduch, ktorý dýchate, má viskozitu asi 18 μPa s.
Roztavené sklo je jednou z najviskóznejších tekutín, ktoré majú vysokú viskozitu blížiacu sa nekonečnu, keď tuhnú. Pri jeho teplote topenia je viskozita skla asi 10 Pa s, zatiaľ čo sa zvyšuje o faktor 100 v jeho pracovnom bode a o faktor viac ako 1011 v mieste žíhania.
Newtonovské tekutiny
Newtoniónová tekutina je taká, v ktorej šmykové napätie lineárne súvisí s šmykovou rýchlosťou. V takejto tekutine je jej viskozita konštantnou hodnotou. (V nenewtonovskej tekutine končí viskozita ako dynamická funkcia inej premennej, napríklad času.)
Nie je prekvapením, že s Newtonionovými tekutinami sa ľahšie pracuje aj modeluje. Pohodlne je veľa bežných tekutín Newtonion s dobrou aproximáciou. Niektoré vlastnosti, ktoré môžu vykazovať nenewtonovské tekutiny, zahŕňajú tekutiny, v ktorých sa viskozita mení s rýchlosťou šmyku, a tekutiny, ktoré sú pri pretrepávaní, miešaní alebo narušení menej alebo viac viskózne.
Voda a vzduch sú príkladmi Newtonionových tekutín. Príklady nenewtonovských tekutín sú kvapkajúce farby, niektoré polymérne roztoky a dokonca aj krv. Jednou z najobľúbenejších nenewtonovských tekutín na škole je oobleck - zmes kukuričného škrobu a vody, ktorá pri rýchlej práci pôsobí takmer tuhým spôsobom a potom sa rozpustí, keď zostane sama.
Tipy
Ako urobiť oobleck:2 diely kukuričného škrobu rozmiešajte na 1 diel vody. Ak je to potrebné, pridajte malé množstvo potravinárskeho farbiva. Skúste roztok vyraziť alebo vytvarovať do gule a potom ju nechať rozpustiť v rukách!
Ako merať viskozitu
Viskozitu je možné merať niekoľkými rôznymi spôsobmi. Patrí sem použitie nástrojov, ako je viskozimeter, alebo ľubovoľný počet DIY experimentov.
Viskozimetre sa najlepšie používajú na newtonovské tekutiny a majú tendenciu pracovať jedným z dvoch spôsobov. Buď sa malý objekt pohybuje stacionárnou tekutinou, alebo tekutina preteká okolo stacionárneho objektu. Meraním súvisiaceho odporu sa dá určiť viskozita. Kapilárne viskozimetre fungujú tak, že určujú čas potrebný na to, aby určitý objem tekutiny pretiekol kapilárnou rúrkou určitej dĺžky. Viskozimetre s klesajúcou guľou merajú čas, ktorý trvá, kým guľka prepadne cez vzorku pod vplyvom gravitácie.
Na meranie viskozity nenewtonovských tekutín sa často používa reometer. Reológia je názov odvetvia fyziky, ktoré študuje tok tekutín a mäkkých pevných látok a sleduje, ako sa deformujú. Reometer umožňuje určiť viac premenných pri meraní viskozity, pretože nenewtonovské tekutiny nemajú konštantné hodnoty viskozity. Existujú dva hlavné typy reometrovstrihaťreometre (ktoré riadia pôsobiace šmykové napätie) apredĺženiereometre (ktoré pracujú na základe pôsobenia vonkajšieho šmykového napätia).
DIY meranie viskozity
Nasledujúci text popisuje, ako môžete zmerať viskozitu kvapaliny doma pomocou niekoľkých jednoduchých materiálov. Na uplatnenie tejto metódy však budete najskôr potrebovať Stokesov zákon. Stokesov zákon sa týka sily odporuFna malej guľke pohybujúcej sa cez viskóznu tekutinu k viskozite, polomeru gulera konečná rýchlosť gulev, cez:
F = 6 \ pi \ eta r v
Teraz, keď máte tento zákon, môžete si vytvoriť svoj vlastný viskozimeter s padajúcou guľou.
Veci, ktoré budete potrebovať
- Vládca
- Stopky
- Veľký odmerný valec
- Malá mramorová alebo oceľová guľa
- Tekutina, ktorej viskozitu chcete merať
Vypočítajte hustotu kvapaliny vážením známeho objemu kvapaliny a vydelením jej hmotnosti objemom.
Vypočítajte hustotu gule tak, že najskôr zmeriate jej priemer a použijete vzorec V = 4 / 3πr3 vypočítať jeho objem. Potom loptu odvážte a hmotu vydelte objemom.
Zmerajte konečnú rýchlosť gule, keď padá cez tekutinu v odmernom valci. V hustej tekutine dosiahne mramor pomerne rýchlo konštantnú rýchlosť. Čas, ktorý trvá, kým lopta prejde medzi dvoma vyznačenými bodmi na delenom valci, a potom túto vzdialenosť vydelte časom, aby ste určili rýchlosť.
Viskozitu kvapaliny možno zistiť pomocou Stokesovho zákona a riešenia viskozity:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Kde F je v tomto prípade sila odporu. Ak chcete určiť odporovú silu, musíte napísať rovnicu čistej sily a vyriešiť ju. Rovnica čistej sily, keď je lopta pri konečnej rýchlosti, je:
F_net = F_b + F - F_g = 0
KdeFbje vznášajúca sa sila aFgje gravitačná sila. Riešením pre F a pripojením výrazov získate:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
KdeV.bje objem lopty,ρbje hustota gule aρf je hustota kvapaliny.
Vzorec pre viskozitu sa preto stáva:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Jednoducho pripojte svoje namerané hodnoty pre polomer guľôčky, hustotu guľôčky a kvapaliny a konečnú rýchlosť, aby ste vypočítali konečný výsledok.