Категоријатечностиобухвата много различитих супстанци које се могу међусобно разликовати на бројне начине, укључујући хемијски састав, поларитет, густину и тако даље. Још једно својство течности је количина позната каовискозност.
Шта је вискозност?
Претпоставимо да имате шољу воде и шољу сирупа. Када сипате течности из ових чаша, приметићете изразиту разлику у начину на који течност тече. Вода се излива брзо и лако, док сируп спорије. Ова разлика настаје због разлике у њиховој вискозности.
Вискозност је мера отпора течности течности. Такође се може сматрати мером дебљине течности или њеног отпора објектима који пролазе кроз њу. Што је већи отпор протоку, то је већа вискозност, па у претходном примеру сируп има већу вискозност од воде.
Шта узрокује вискозност?
Вискозност је узрокована унутрашњим трењем између молекула у течности. Замислите да течна течност садржи слојеве који се крећу један у односу на други. Ови се слојеви трљају једни о друге и што је веће трење, проток је спорији (или већа сила потребна за постизање протока).
Многи фактори могу утицати на вискозност супстанце; међу њима је и температура. Подсетимо се да је температура мера просечне кинетичке енергије по молекулу у супстанци. Већа просечна кинетичка енергија по молекулу резултира молекулама који се брже крећу, а тиме и нижој вискозности за течности. Ако, на пример, загрејете сируп у микроталасној пећници, могли бисте приметити да лакше тече.
За гасове, међутим, виша температура заправо доводи до тога да се они „згусну“, а њихова вискозност расте са температуром. То је зато што се за гасове на ниским температурама молекули ретко сударају или међусобно комуницирају, док на вишим температурама има много више судара. Као резултат, повећава се отпор гасова протоку.
Облик молекула у течности такође може утицати на вискозност. Заобљенији молекули могу се лакше котрљати један поред другог од молекула са гранама и мање једноличних облика. (Замислите да сипате канту мермера насупрот гомиле дизалица.)
Напон смицања и брзина смицања
Два фактора која се односе на математичку формулацију вискозности су смичући стрес и брзина смицања. Да би се разумела формална дефиниција вискозности, прво је важно разумети дефиниције ових количина.
Размотрите метод приближавања протока течности док слојеви течности теку један поред другог. Ако помислимо на текућу течност попут ове, посмични напон је сила која гура један слој преко другог подељена површином слојева. Формалније, ово се може рећи као однос силеФнаноси се површином попречног пресекаА.материјала који је паралелан примењеној сили.
Напетости на смицање често се означавају грчким словом тауτ, па је стога одговарајући математички израз:
\ тау = \ фрац {Ф} {А}
Брзина смицања је у основи брзина којом се слојеви течности крећу један поред другог. Формалније је дефинисано на следећи начин:
\ дот {\ гамма} = \ фрац {\ Делта в} {к}
Где је Δвје разлика у брзини између два слоја, иИксје раздвајање слоја.
Ознака γ тачком је зато што је γ смицање, а први дериват (брзина промене) променљиве често се означава тачком изнад придружене променљиве. Коришћењем рачуна, брзина непрекидног смицања дала би се каодв / дкуместо тога назива се и градијент брзине.
Врсте вискозности
Вискозност постоји у неколико различитих врста. Постојидинамичанвискозност, такође названаапсолутнивискозност, на коју се обично говори вискозност када се једноставно каже „вискозност“. Али постоји икинематичкивискозности, која има мало другачију математичку формулацију.
Динамичка или апсолутна вискозност је однос смичућег напрезања и брзине смицања, као што је приказано у следећој једначини:
\ ета = \ фрац {\ тау} {\ тачка {\ гамма}}
Уобичајена формулација овог односа назива се Њутнова једначина и пише на следећи начин:
\ фрац {Ф} {А} = \ ета \ фрац {\ Делта в} {к}
Кинематичка вискозност се дефинише као апсолутна вискозност подељена масеном густином:
\ ну = \ фрак {\ ета} {\ рхо}
Размотримо две течности које могу имати исту динамичку вискозност, али различиту густину масе. Ове две течности ће се излити из посуде различитим брзинама под утицајем гравитације, јер једнака количина сваке од њих имаће различите гравитационе силе које делују на њих (пропорционалне њиховим мисе). Кинематичка вискозност узима то у обзир дељењем са густином масе, и стога се може сматрати мером отпора протоку под утицајем гравитације.
Јединице вискозности
Користећи СИ јединице, јер је смичући напон био у Н / м2 а брзина смицања је била у (м / с) / м = 1 / с, тада динамички вискозитет има јединице Нс / м2 = Па с (паскал-секунда). Међутим, најчешћа јединица вискозности је дин-секунда по квадратном центиметру (дин с / цм2) где је 1 дин = 10-5 Н. Једна дин-секунда по квадратном центиметру назива се асталоженостпо француском физиологу Жану Поисеуиллеу. Једна паскал-секунда једнака је 10 сталожености.
СИ јединица кинематичке вискозности је једноставно м2/ с, мада је чешћа јединица у ЦГС систему квадратни центиметар у секунди, који се по ирском физичару Џорџу Стокесу назива стоке (Ст).
Типичне вредности вискозности
Већина течности има вискозност између 1 и 1.000 мПа с, док гасови имају ниску вискозност, обично између 1-10 μПа с. Вискозност воде је око 1.0020 мПа с, док је вискозност крви између 3 и 4 мПа с (што даје ново значење изреци да је крв гушћа од воде!)
Вискозност јестивих уља између 25 и 100 мПа с, док моторна уља и машинска уља имају вискозност реда неколико стотина мПа с.
Ваздух који удишете има вискозност од око 18 μПа с.
Растопљено стакло је једна од највискознијих течности које постоје, са високом вискозношћу која се приближава бесконачности док се учвршћује. На тачки топљења, вискозност стакла је око 10 Па с, док се то повећава за фактор 100 у радној тачки и за фактор већи од 1011 у својој тачки жарења.
Невтониан Флуидс
Невтонион флуид је онај код кога је смичући напон линеарно повезан са брзином смицања. У таквој течности вискозност те течности је константна вредност. (У не-њутновској течности, вискозност завршава као динамичка функција друге променљиве, као што је време.)
Није изненађујуће што је са Невтонион течностима лакше радити и моделовати их. Погодно је да су многе уобичајене течности Невтонион у доброј апроксимацији. Нека понашања која могу да показују не-њутновске течности укључују течности у којима се вискозност мења са брзином смицања и течности које постају мање или више вискозне када се промућкају, узбуркају или узнемире.
Вода и ваздух су примери Невтонион течности. Примери не-њутновских течности су боја која не капље, неки раствори полимера, па чак и крв. Омиљена не-њутновска течност у једном разреду школе је ооблецк - мешавина кукурузног скроба и воде која делује брзо као чврста када се брзо ради, а затим се топи када остане сама.
Савети
Како направити ооблецк:Помијешајте 2 дела кукурузног шкроба са 1 делом воде. По жељи додајте малу количину боје за храну. Покушајте да ударите решење или га формирате у куглу, а затим пустите да се истопи у вашим рукама!
Како измерити вискозност
Вискозност се може мерити на неколико различитих начина. То укључује употребу инструмената попут вискозиметра или било који број самосталних експеримената.
Вискозиметри се најбоље користе на њутновским течностима и имају тенденцију да раде на један од два начина. Или се мали предмет креће кроз непокретни флуид, или течност пролази поред непокретног предмета. Мерењем припадајућег отпора може се одредити вискозност. Капиларни вискозиметри раде одређивањем времена потребног да одређена количина течности тече кроз капиларну цев одређене дужине. Вискозиметри у паду лопте мере време потребно да лопта падне кроз узорак под утицајем гравитације.
За мерење вискозности не-њутновских течности често се користи реометар. Реологија је назив физичке гране која проучава проток течности и меких чврстих тела и посматра како се оне деформишу. Реометар омогућава одређивање више променљивих при мерењу вискозности, јер не-њутновске течности немају константне вредности вискозности. Два главна типа реометра суСМИЦАЊЕреометри (који контролишу примењени смичући напон) иекстензивниреометри (који раде на основу примењеног спољашњег напона смицања).
Уради сам мерење вискозности
Следеће описује како можете измерити вискозност течности код куће помоћу неколико једноставних материјала. Међутим, да бисте применили овај метод, прво вам је потребан Стокесов закон. Стокесов закон односи силу вучеФна малој сфери која се креће кроз вискозну течност до вискозности, полупречника сферери крајњу брзину сферев, путем:
Ф = 6 \ пи \ ета р в
Сада када имате овај закон, можете да направите свој вискозиметар за падање куглица.
Ствари које ће вам требати
- Лењир
- Штоперица
- Велики дипломирани цилендер
- Мала кугла од мермера или челика
- Течност чију вискозност желите да измерите
Израчунајте густину течности одмеравањем познате запремине течности и поделом њене масе са запремином.
Израчунајте густину лопте тако што ћете прво измерити њен пречник и користити формулу В = 4 / 3πр3 за израчунавање његове запремине. Затим измерите куглу и масу поделите са запремином.
Измерите крајњу брзину кугле како пада кроз течност у градуисаном цилиндру. У густој течности, мермер ће прилично брзо достићи константну брзину. Време колико је потребно да лопта прође између две означене тачке на градуираном цилиндру, а затим поделите ту удаљеност са временом да бисте утврдили брзину.
Вискозност течности може се наћи користећи Стокесов закон и решење вискозности:
\ ета = \ фрац {Ф} {6 \ пи рв}
Где је Ф у овом случају сила вуче. Да бисте одредили силу вучења, морате написати једначину нето силе и решити је. Једначина нето силе када је лопта крајње брзине је:
Ф_нет = Ф_б + Ф - Ф_г = 0
ГдеФбје полетна сила иФгје гравитациона сила. Решавајући Ф и прикључујући изразе, добијате:
Ф = Ф_г - Ф_б = \ рхо_бВ_бг- \ рхо_фВ_бг = 4/3 \ пи р ^ 3 (\ рхо_б- \ рхо_ф)
ГдеВ.бје запремина лопте,ρбје густина лопте иρф је густина течности.
Отуда формула за вискозност постаје:
\ ета = \ фрац {2р ^ 2г (\ рхо_б- \ рхо_ф)} {9в}
Једноставно укључите измерене вредности радијуса куглице, густине куглице и течности и крајње брзине да бисте израчунали коначни резултат.