Kategorin avvätskoromfattar många olika ämnen som kan skiljas från varandra på många sätt, inklusive kemisk sammansättning, polaritet, densitet och så vidare. En annan egenskap hos vätskor är en mängd som kallasviskositet.
Vad är viskositet?
Antag att du har en kopp vatten och en kopp sirap. När du häller vätskor från dessa koppar märker du en tydlig skillnad i hur varje vätska flyter. Vattnet häller ut snabbt och enkelt medan sirapen häller långsammare. Denna skillnad beror på en skillnad i deras viskositet.
Viskositet är ett mått på vätskans motstånd mot flöde. Det kan också ses som ett mått på vätskans tjocklek eller dess motståndskraft mot föremål som passerar genom den. Ju större motstånd mot flöde, desto högre viskositet, så i det föregående exemplet har sirapen en högre viskositet än vatten.
Vad orsakar viskositet?
Viskositet orsakas av inre friktion mellan molekylerna i en vätska. Tänk på en flytande vätska som består av lager som rör sig i förhållande till varandra. Dessa lager gnuggar mot varandra, och ju större friktion, desto långsammare flöde (eller desto mer kraft som krävs för att uppnå flöde).
Många faktorer kan påverka ett ämnes viskositet; bland dessa är temperatur. Kom ihåg att temperaturen är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl i ett ämne. En högre genomsnittlig kinetisk energi per molekyl resulterar i snabbare rörliga molekyler och därmed en lägre viskositet för vätskor. Om du till exempel värmer upp sirap i en mikrovågsugn kanske du märker att den flyter lättare.
För gaser får en högre temperatur dem faktiskt att "tjockna" och deras viskositet ökar med temperaturen. Detta beror på att för gaser vid låga temperaturer kolliderar molekylerna sällan eller interagerar med varandra, medan det vid högre temperaturer är många fler kollisioner. Som ett resultat ökar gasernas motstånd mot flöde.
Formen på molekylerna i en vätska kan också påverka viskositeten. Rundare molekyler kan rulla förbi varandra lättare än molekyler med grenar och mindre enhetliga former. (Tänk dig att du häller en hink med kulor kontra att hälla en massa knektar.)
Skjuvspänning och skjuvhastighet
Två faktorer som relaterar till den matematiska formuleringen av viskositet är skjuvspänning och skjuvhastighet. För att förstå den formella definitionen av viskositet är det först viktigt att förstå definitionerna av dessa kvantiteter.
Betrakta metoden för att approximera vätskeflödet som lager av vätska som flyter förbi varandra. Om vi tänker på en flytande vätska som denna är skjuvspänningen den kraft som skjuter ett lager över ett annat dividerat med lagerytan. Mer formellt kan detta anges som förhållandet mellan kraftenFappliceras med tvärsnittsområdetAav materialet som är parallellt med den applicerade kraften.
Skjuvspänning betecknas ofta med den grekiska bokstaven tauτoch därmed motsvarande matematiska uttryck är:
\ tau = \ frac {F} {A}
Skjuvhastighet är väsentligen den hastighet med vilken fluidskikten rör sig förbi varandra. Mer formellt definieras det enligt följande:
\ dot {\ gamma} = \ frac {\ Delta v} {x}
Där Δvär skillnaden i hastighet mellan två lager, ochxär skiktseparationen.
Beteckningen av γ med punkten beror på att γ är skjuvningen, och ett första derivat (förändringshastigheten) för en variabel betecknas ofta med en punkt ovanför den associerade variabeln. Med hjälp av kalkyl skulle den kontinuerliga skjuvhastigheten ges somdv / dxistället och kallas också hastighetsgradienten.
Typer av viskositet
Viskositet finns i några olika typer. Det finnsdynamiskviskositet, även kalladabsolutviskositet, vilket vanligtvis är den viskositet som man hänvisar till när man bara säger "viskositet." Men det finns ocksåkinematiskviskositet, som har en något annan matematisk formulering.
Dynamisk eller absolut viskositet är förhållandet mellan skjuvspänning och skjuvhastighet, som visas i följande ekvation:
\ eta = \ frac {\ tau} {\ dot {\ gamma}}
En vanlig formulering av detta förhållande kallas Newtons ekvation och skrivs enligt följande:
\ frac {F} {A} = \ eta \ frac {\ Delta v} {x}
Kinematisk viskositet definieras som den absoluta viskositeten dividerat med massdensitet:
\ nu = \ frac {\ eta} {\ rho}
Tänk på två vätskor som kan ha samma dynamiska viskositet, men olika massdensiteter. Dessa två vätskor kommer att hälla ut ur en behållare i olika hastigheter under påverkan av tyngdkraften eftersom en lika stor mängd av var och en kommer att ha olika gravitationskrafter som verkar på dem (proportionellt mot deras massor). Den kinematiska viskositeten tar hänsyn till detta genom att dividera med massdensiteten och kan därför betraktas som ett mått på motstånd mot flöde under ensam påverkan av tyngdkraften.
Enheter av viskositet
Använda SI-enheter, eftersom skjuvspänningen var i N / m2 och skjuvhastigheten var i (m / s) / m = 1 / s, då har dynamisk viskositet enheterna Ns / m2 = Pa s (pascal-sekund). Den vanligaste viskositetsenheten är dock dyne-sekunden per kvadratcentimeter (dyne s / cm2) där 1 dyne = 10-5 N. En dynesekund per kvadratcentimeter kallas abalansefter den franska fysiologen Jean Poiseuille. En pascal-sekund är lika med 10 poise.
SI-enheten för kinematisk viskositet är helt enkelt m2/ s, även om en vanligare enhet i CGS-systemet är kvadratcentimeter per sekund, som kallas en stoke (St) efter den irländska fysikern George Stokes.
Typiska viskositetsvärden
De flesta vätskor har viskositeter mellan 1 och 1000 mPa s medan gaser har låg viskositet, vanligtvis mellan 1-10 μPa s. Viskositeten hos vatten är cirka 1,0020 mPa s medan viskositeten hos blod är mellan 3 och 4 mPa s (ger ny mening till ordstävet att blod är tjockare än vatten!)
Matoljor har viskositeter mellan cirka 25 och 100 mPa s, medan motorolja och maskinoljor har viskositeter i storleksordningen några hundra mPa s.
Luften du andas in har en viskositet på cirka 18 μPa s.
Smält glas är en av de mest viskösa vätskor som finns med hög viskositet närmar sig oändligheten när den stelnar. Vid sin smältpunkt är glasets viskositet cirka 10 Pa, medan detta ökar med en faktor 100 vid dess arbetspunkt och med en faktor på mer än 1011 vid sin glödgningspunkt.
Newtons vätskor
En Newtonion-vätska är en där skjuvspänningen är linjärt relaterad till skjuvhastigheten. I en sådan vätska är viskositeten för den vätskan ett konstant värde. (I en icke-newtonsk vätska blir viskositeten en dynamisk funktion av en annan variabel, till exempel tid.)
Inte överraskande är Newtonion-vätskor lättare att arbeta med och modellera. Det är bekvämt att många vanliga vätskor är Newtonion till en bra approximation. Vissa beteenden som icke-newtonska vätskor kan uppvisa inkluderar vätskor där viskositeten förändras med skjuvhastighet och vätskor som blir mindre eller mer viskösa när de skakas, upprörs eller störs.
Vatten och luft är exempel på Newtonion-vätskor. Exempel på vätskor som inte är newtonska är icke droppfärg, vissa polymerlösningar och till och med blod. En klassskolans favoritvätska som inte är newtonskt är oobleck - en blandning av majsstärkelse och vatten som fungerar nästan fast när man arbetar med det snabbt och sedan smälter när det lämnas ensamt.
Tips
Hur man gör oobleck:Blanda 2 delar majsstärkelse till 1 del vatten. Tillsätt en liten mängd matfärgning om så önskas. Försök att stansa lösningen eller forma till en boll och låt den sedan smälta i dina händer!
Hur man mäter viskositet
Viskositet kan mätas på flera olika sätt. Dessa inkluderar användning av instrument som en viskosimeter eller valfritt antal DIY-experiment.
Viskosimeter används bäst på newtonska vätskor och tenderar att fungera på ett av två sätt. Antingen rör sig ett litet föremål genom en stationär vätska eller så flyter vätskan förbi ett stillastående föremål. Genom att mäta tillhörande drag kan viskositeten bestämmas. Kapillärviskosimeter fungerar genom att bestämma den tid som krävs för att en viss volym vätska ska flöda genom ett kapillärrör med en viss längd. Fallande kulviskometrar mäter den tid det tar för en boll att falla genom ett prov under påverkan av tyngdkraften.
För att mäta viskositeten hos icke-newtonska vätskor används ofta en reometer. Reologi är namnet på en gren av fysik som studerar flödet av vätskor och mjuka fasta ämnen och observerar hur de deformeras. En reometer gör det möjligt att bestämma fler variabler vid mätning av viskositet eftersom icke-newtonska vätskor inte har konstanta viskositetsvärden. De två huvudtyperna av reometrar ärklippareometrar (som styr den applicerade skjuvspänningen) ochextensionsreometrar (som fungerar baserat på applicerad extern skjuvspänning).
DIY-viskositetsmätning
I det följande beskrivs hur du kan mäta vätskans viskositet hemma med några enkla material. För att kunna använda denna metod behöver du dock först Stokes lag. Stokes lag avser dragkraftenFpå en liten sfär som rör sig genom en viskös vätska till viskositeten, sfärens radieroch sfärens terminalhastighetv, via:
F = 6 \ pi \ eta r v
Nu när du har den här lagen kan du skapa din egen fallande kulviskosimeter.
Saker du behöver
- Linjal
- Stoppa klockan
- En stor graderad cylinder
- En liten marmor- eller stålkula
- En vätska vars viskositet du vill mäta
Beräkna vätskans densitet genom att väga en känd vätskevolym och dela dess massa med volymen.
Beräkna kulans densitet genom att först mäta dess diameter och använda formeln V = 4 / 3πr3 för att beräkna dess volym. Väg sedan bollen och dela upp massan med volymen.
Mät kulans sluthastighet när den faller genom vätskan i den graderade cylindern. I en tjock vätska når marmorn en konstant hastighet ganska snabbt. Ta tid hur lång tid det tar för bollen att passera mellan två markerade punkter på den graderade cylindern och dela sedan avståndet med tiden för att bestämma hastigheten.
Vätskans viskositet kan hittas med hjälp av Stokes lag och lösning för viskositet:
\ eta = \ frac {F} {6 \ pi rv}
Där F i detta fall är dragkraften. För att bestämma dragkraften måste du skriva nettokraftekvationen och lösa den. Nettokraftekvationen när bollen är vid terminalhastighet är:
F_net = F_b + F - F_g = 0
VarFbär flytande kraft ochFgär gravitationskraften. Lösning för F och anslutning av uttryck får du:
F = F_g - F_b = \ rho_bV_bg- \ rho_fV_bg = 4/3 \ pi r ^ 3 (\ rho_b- \ rho_f)
VarVbär bollens volym,ρbär densiteten på bollen ochρf är densiteten hos vätskan.
Därför blir formeln för viskositet:
\ eta = \ frac {2r ^ 2g (\ rho_b- \ rho_f)} {9v}
Anslut helt enkelt dina uppmätta värden för kulans radie, kulans och vätskans densitet och terminalhastigheten för att beräkna slutresultatet.