Kategorijatekočinezajema veliko različnih snovi, ki jih je mogoče razlikovati med seboj na številne načine, vključno s kemično sestavo, polarnostjo, gostoto itd. Druga lastnost tekočin je količina, znana kotviskoznost.
Kaj je viskoznost?
Recimo, da imate skodelico vode in skodelico sirupa. Ko nalivate tekočine iz teh skodelic, opazite izrazito razliko v načinu pretoka posamezne tekočine. Voda se izliva hitro in enostavno, sirup pa počasneje. Ta razlika je posledica razlike v njihovi viskoznosti.
Viskoznost je merilo odpornosti tekočine na pretok. Lahko si ga predstavljamo tudi kot merilo debeline tekočine ali njene odpornosti na predmete, ki gredo skozenj. Večja kot je odpornost proti toku, večja je viskoznost, zato ima sirup v prejšnjem primeru višjo viskoznost kot voda.
Kaj povzroča viskoznost?
Viskoznost povzroča notranje trenje med molekulami v tekočini. Zamislite si tekočo tekočino, kot da jo sestavljajo plasti, ki se premikajo med seboj. Te plasti se med seboj drgnejo in večje ko je trenje, počasnejši je pretok (ali več sile je potrebno za dosego pretoka).
Številni dejavniki lahko vplivajo na viskoznost snovi; med njimi je temperatura. Spomnimo se, da je temperatura merilo povprečne kinetične energije na molekulo v snovi. Višja povprečna kinetična energija na molekulo povzroči hitrejše gibanje molekul in s tem nižjo viskoznost tekočin. Če na primer sirup segrejete v mikrovalovni pečici, boste morda opazili, da lažje teče.
Pri plinih pa višja temperatura dejansko povzroči, da se "zgostijo" in njihova viskoznost narašča s temperaturo. To je zato, ker pri plinih pri nizkih temperaturah molekule redko trčijo ali medsebojno sodelujejo, pri višjih temperaturah pa je trkov veliko več. Posledično se poveča odpornost plinov na pretok.
Oblika molekul v tekočini lahko vpliva tudi na viskoznost. Zaobljene molekule se lahko valjajo mimo druge lažje kot molekule z vejami in manj enotnimi oblikami. (Predstavljajte si, kako nalijte vedro frnikole v primerjavi s kopico dvigal.)
Strižna napetost in strižna hitrost
Dva dejavnika, ki sta povezana z matematično formulacijo viskoznosti, sta strižna napetost in strižna hitrost. Da bi razumeli formalno definicijo viskoznosti, je najprej pomembno razumeti opredelitve teh količin.
Razmislite o metodi približevanja pretoka tekočine, ko plasti tekočine tečejo druga mimo druge. Če pomislimo na tekočo tekočino, kot je ta, je strižna napetost sila, ki potiska eno plast čez drugo, deljena s površino plasti. Bolj formalno lahko to navedemo kot razmerje sileFnanesemo s površino presekaAmateriala, ki je vzporeden z uporabljeno silo.
Strižni stres je pogosto označen z grško črko tauτ, zato je ustrezen matematični izraz:
\ tau = \ frac {F} {A}
Strižna hitrost je v bistvu hitrost, s katero se tekoče plasti premikajo ena mimo druge. Bolj formalno je opredeljeno na naslednji način:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Kjer je Δv- razlika v hitrosti med dvema plastema inxje ločevanje plasti.
Zapis γ s piko je zato, ker je γ striženje, prvi derivat (hitrost spremembe) spremenljivke pa je pogosto označen s piko nad povezano spremenljivko. Z uporabo računa bi bila stalna strižna hitrost podana kotdv / dxnamesto tega se imenuje tudi gradient hitrosti.
Vrste viskoznosti
Viskoznost je na voljo v nekaj različnih vrstah. Tukaj jedinamičnoviskoznost, imenovana tudiabsolutnoviskoznost, na katero se običajno nanaša viskoznost, ko preprosto rečemo "viskoznost". Vendar obstaja tudikinematičnoviskoznost, ki ima nekoliko drugačno matematično formulacijo.
Dinamična ali absolutna viskoznost je razmerje strižne napetosti in strižne hitrosti, kot je prikazano v naslednji enačbi:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ pika {\ gamma}}
Običajna formulacija tega razmerja se imenuje Newtonova enačba in je zapisana na naslednji način:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematična viskoznost je definirana kot absolutna viskoznost, deljena z masno gostoto:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Upoštevajte dve tekočini, ki imata lahko enako dinamično viskoznost, vendar različno gostoto mase. Ti dve tekočini se iz posode izlivata z različno hitrostjo pod vplivom gravitacije, ker enaka količina vsakega bo imela nanje različne gravitacijske sile (sorazmerne z njihovimi maše). Kinematična viskoznost to upošteva tako, da se deli z masno gostoto, zato jo lahko obravnavamo kot merilo odpornosti proti toku samo pod vplivom gravitacije.
Enote viskoznosti
Z uporabo enot SI, ker je bila strižna napetost v N / m2 in strižna hitrost je bila v (m / s) / m = 1 / s, potem ima dinamična viskoznost enote Ns / m2 = Pa s (paskalno sekundo). Vendar je najpogostejša enota viskoznosti din-sekunda na kvadratni centimeter (din s / cm2) kjer je 1 din = 10-5 N. Ena din-sekunda na kvadratni centimeter se imenuje aravnotežjepo francoskem fiziologu Jean Poiseuilleu. Ena paskalna sekunda je enaka 10 pripravljenosti.
Enota kinematične viskoznosti SI je preprosto m2/ s, čeprav je bolj pogosta enota v sistemu CGS kvadratni centimeter na sekundo, ki se po irskem fiziku Georgeu Stokesu imenuje stoke (St).
Tipične vrednosti viskoznosti
Večina tekočin ima viskoznost med 1 in 1000 mPa s, medtem ko imajo plini nizko viskoznost, običajno med 1-10 μPa s. Viskoznost vode je približno 1,0020 mPa s, viskoznost krvi pa med 3 in 4 mPa s (kar pomeni nov pomen reku, da je kri gostejša od vode!)
Kuhinjska olja imajo viskoznost med približno 25 do 100 mPa s, medtem ko imajo motorna olja in strojna olja viskoznost približno nekaj sto mPa s.
Visoknost zraka, ki ga vdihavate, je približno 18 μPa s.
Staljeno steklo je ena najbolj viskoznih tekočin, ki se z visoko viskoznostjo približuje neskončnosti, ko se strdi. Na tališču je viskoznost stekla približno 10 Pa s, medtem ko se ta na svoji delovni točki poveča za faktor 100 in več kot za faktor 1011 na žarilni točki.
Newtonove tekočine
Newtonova tekočina je tista, pri kateri je strižna napetost linearno povezana s strižno hitrostjo. V takšni tekočini je viskoznost te tekočine konstantna vrednost. (V ne-newtonski tekočini je viskoznost na koncu dinamična funkcija druge spremenljivke, na primer časa.)
Ni presenetljivo, da je s tekočinami Newtonion lažje delati in jih modelirati. Prikladno je, da so številne običajne tekočine Newtonion v dobrem približku. Nekatera vedenja, ki bi jih lahko pokazale ne-newtonske tekočine, vključujejo tekočine, pri katerih se viskoznost spreminja s hitrostjo striženja, in tekočine, ki postanejo manj ali bolj viskozne ob stresanju, vznemirjanju ali motenju.
Voda in zrak sta primera Newtonovih tekočin. Primeri ne-newtonskih tekočin so barve, ki ne kapljajo, nekatere polimerne raztopine in celo kri. Enošolska najljubša ne-newtonska tekočina je oobleck - mešanica koruznega škroba in vode, ki pri delu z njo deluje skoraj trdno, nato pa se stopi, ko ostane sam.
Nasveti
Kako narediti oobleck:2 dela koruznega škroba zmešajte z 1 delom vode. Po želji dodajte majhno količino barvila za živila. Poskusite raztopino prebiti ali oblikovati v kroglo, nato pa pustiti, da se stopi v vaših rokah!
Kako izmeriti viskoznost
Viskoznost lahko merimo na več različnih načinov. Sem spadajo uporaba instrumentov, kot je viskozimeter, ali poljubno število DIY poskusov.
Viskozimetre je najbolje uporabiti na newtonskih tekočinah in ponavadi delujejo na enega od dveh načinov. Ali se majhen predmet premika skozi mirujočo tekočino ali tekočina teče mimo mirujočega predmeta. Z merjenjem pripadajočega upora lahko določimo viskoznost. Kapilarni viskozimetri delujejo tako, da določijo čas, ki je potreben, da določena količina tekočine teče skozi kapilarno cev določene dolžine. Viskozimetri s padajočimi kroglicami merijo čas, ko žoga pade skozi vzorec pod vplivom gravitacije.
Za merjenje viskoznosti ne-newtonskih tekočin se pogosto uporablja reometer. Reologija je ime fizične veje, ki preučuje pretok tekočin in mehkih trdnih snovi ter opazuje, kako se deformirajo. Reometer omogoča določanje več spremenljivk pri merjenju viskoznosti, saj nenjutnovske tekočine nimajo stalnih vrednosti viskoznosti. Dve glavni vrsti reometrov stastrižnereometri (ki nadzorujejo napetost striženja) inekstenzijskareometri (ki delujejo na podlagi uporabljene zunanje strižne napetosti).
DIY merjenje viskoznosti
V nadaljevanju je opisano, kako lahko doma z nekaj preprostimi materiali izmerite viskoznost tekočine. Za uporabo te metode pa boste najprej potrebovali Stokesov zakon. Stokesov zakon povezuje vlečno siloFna majhni krogli, ki se premika skozi viskozno tekočino do viskoznosti, polmera kroglerin končno hitrost kroglev, prek:
F = 6 \ pi \ eta r v
Zdaj, ko imate ta zakon, lahko ustvarite svoj viskozimeter, ki pada.
Stvari, ki jih boste potrebovali
- Vladar
- Štoparica
- Velik graduiran cylender
- Majhna kroglica iz marmorja ali jekla
- Tekočina, katere viskoznost želite izmeriti
Izračunajte gostoto tekočine s tehtanjem znane prostornine tekočine in njeno maso delite s prostornino.
Izračunajte gostoto krogle tako, da najprej izmerite njen premer in uporabite formulo V = 4 / 3πr3 za izračun njegove prostornine. Nato kroglo stehtamo in maso razdelimo na prostornino.
Izmerite končno hitrost krogle, ko pade skozi tekočino v merilnem valju. V gosti tekočini bo marmor dokaj hitro dosegel konstantno hitrost. Čas, kako dolgo traja, da žoga preide med dvema označenima točkama na merilnem valju, nato pa razdaljo delite s časom, da določite hitrost.
Viskoznost tekočine lahko najdemo s Stokesovim zakonom in rešitvijo za viskoznost:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Kjer je F v tem primeru sila upora. Če želite določiti vlečno silo, morate napisati enačbo neto sile in jo rešiti. Enačba neto sile, ko je kroglica s končno hitrostjo, je:
F_net = F_b + F - F_g = 0
KjeFbje živahna sila inFgje gravitacijska sila. Rešitev za F in vstavljanje izrazov dobite:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
KjeVbje prostornina žoge,ρbje gostota krogle inρf je gostota tekočine.
Zato formula za viskoznost postane:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Za izračun končnega rezultata preprosto vključite izmerjene vrednosti polmera krogle, gostote krogle in tekočine ter končno hitrost.
