kategorisisıvılarkimyasal bileşim, polarite, yoğunluk vb. dahil olmak üzere birbirinden çeşitli şekillerde ayırt edilebilen birçok farklı maddeyi kapsar. Akışkanların bir başka özelliği de nicelik olarak bilinen miktardır.viskozite.
Viskozite Nedir?
Diyelim ki bir bardak su ve bir bardak şurup var. Sıvıları bu kaplardan döktüğünüzde, her bir sıvının nasıl aktığı konusunda belirgin bir fark görürsünüz. Şurup daha yavaş dökülürken su hızlı ve kolay bir şekilde dökülür. Bu fark, viskozitelerindeki bir farktan kaynaklanmaktadır.
Viskozite, bir sıvının akmaya karşı direncinin bir ölçüsüdür. Bir sıvının kalınlığının veya içinden geçen nesnelere karşı direncinin bir ölçüsü olarak da düşünülebilir. Akışa karşı direnç ne kadar yüksek olursa, viskozite de o kadar yüksek olur, bu nedenle önceki örnekte şurup sudan daha yüksek bir viskoziteye sahiptir.
Viskoziteye Ne Sebep Olur?
Viskozite, bir sıvıdaki moleküller arasındaki iç sürtünmeden kaynaklanır. Akan bir sıvının birbirine göre hareket eden katmanlardan oluştuğunu düşünün. Bu katmanlar birbirine sürtünür ve sürtünme ne kadar büyük olursa, akış o kadar yavaş olur (veya akışı sağlamak için gereken kuvvet o kadar fazla olur).
Bir maddenin viskozitesini birçok faktör etkileyebilir; bunlar arasında sıcaklık vardır. Sıcaklığın bir maddedeki molekül başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsü olduğunu hatırlayın. Molekül başına daha yüksek bir ortalama kinetik enerji, daha hızlı hareket eden moleküller ve dolayısıyla sıvılar için daha düşük bir viskozite ile sonuçlanır. Örneğin şurubu mikrodalgada ısıtırsanız daha kolay aktığını fark edebilirsiniz.
Ancak gazlar için, daha yüksek bir sıcaklık aslında onların "kalınlaşmasına" neden olur ve viskoziteleri sıcaklıkla artar. Bunun nedeni, düşük sıcaklıklardaki gazlar için moleküllerin nadiren birbirleriyle çarpışması veya etkileşime girmesi, yüksek sıcaklıklarda ise çok daha fazla çarpışma olmasıdır. Sonuç olarak, gazların akışa karşı direnci artar.
Bir sıvıdaki moleküllerin şekli de viskoziteyi etkileyebilir. Yuvarlak moleküller, dalları ve daha az üniform şekilleri olan moleküllerden daha kolay birbirlerini geçebilir. (Bir sürü kriko dökmeye karşı bir kova bilye döktüğünüzü hayal edin.)
Kayma Gerilmesi ve Kayma Oranı
Viskozitenin matematiksel formülasyonu ile ilgili iki faktör, kesme gerilimi ve kesme hızıdır. Viskozitenin resmi tanımını anlamak için öncelikle bu miktarların tanımlarını anlamak önemlidir.
Akışkan akışını birbirine geçen akışkan katmanları olarak tahmin etme yöntemini düşünün. Bunun gibi akan bir akışkan düşünürsek, kayma gerilimi, bir katmanı diğerine iten kuvvetin, katmanların alanına bölümüdür. Daha resmi olarak, bu kuvvetin oranı olarak ifade edilebilir.Fkesit alanı ile uygulananbirUygulanan kuvvete paralel olan malzemenin
Kesme gerilimi genellikle Yunanca tau harfiyle gösterilir.τ, ve dolayısıyla karşılık gelen matematiksel ifade şöyledir:
\tau = \frac{F}{A}
Kayma hızı esasen sıvı katmanlarının birbirini geçme hızıdır. Daha resmi olarak şu şekilde tanımlanır:
\dot{\gamma}=\frac{\Delta v}{x}
neredeviki katman arasındaki hız farkıdır vexkatman ayrımıdır.
y'nin nokta ile gösterimi, y'nin kesme olması ve bir değişkenin birinci türevinin (değişim hızı) genellikle ilişkili değişkenin üzerinde bir nokta ile gösterilmesidir. Hesap kullanılarak, sürekli kesme hızı şu şekilde verilir:dv/dxbunun yerine hız gradyanı olarak da adlandırılır.
Viskozite Türleri
Viskozite birkaç farklı tipte gelir. Vardinamikviskozite de denirmutlakgenellikle "viskozite" denildiğinde atıfta bulunulan viskozite olan viskozite. Ama ayrıca varkinematikbiraz farklı bir matematiksel formülasyona sahip olan viskozite.
Dinamik veya mutlak viskozite, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi, kesme geriliminin kesme hızına oranıdır:
\eta = \frac{\tau}{\dot{\gamma}}
Bu ilişkinin yaygın bir formülasyonuna Newton denklemi denir ve şöyle yazılır:
\frac{F}{A} = \eta \frac{\Delta v}{x}
Kinematik viskozite, kütle yoğunluğuna bölünen mutlak viskozite olarak tanımlanır:
\nu = \frac{\eta}{\rho}
Aynı dinamik viskoziteye ancak farklı kütle yoğunluklarına sahip olabilecek iki akışkan düşünün. Bu iki akışkan, yerçekimi etkisi altında bir kaptan farklı hızlarda dökülecektir, çünkü bir her birinin eşit miktarı, üzerlerine etki eden farklı yerçekimi kuvvetlerine sahip olacaktır (kendileriyle orantılı olarak) kitleler). Kinematik viskozite bunu kütle yoğunluğuna bölerek hesaba katar ve bu nedenle yalnızca yerçekiminin etkisi altında akışa karşı direncin bir ölçüsü olarak düşünülebilir.
Viskozite Birimleri
SI birimlerinin kullanılması, kayma gerilimi N/m cinsinden olduğundan2 ve kesme hızı (m/s)/m = 1/s cinsindenydi, o zaman dinamik viskozite Ns/m birimlerine sahiptir2 = Pa s (paskal-saniye). Bununla birlikte, en yaygın viskozite birimi santimetre kare başına din-saniyedir (dyne s/cm2) burada 1 din = 10-5 N. Santimetre kareye bir din-saniye denir.dengeFransız fizyolog Jean Poiseuille'den sonra. Bir pascal-saniye, 10 dengeye eşittir.
Kinematik viskozitenin SI birimi basitçe m'dir.2/s, CGS sisteminde daha yaygın bir birim, İrlandalı fizikçi George Stokes'tan sonra stoke (St) olarak adlandırılan saniyede santimetre karedir.
Tipik Viskozite Değerleri
Çoğu sıvının viskozitesi 1 ile 1.000 mPa s arasındayken gazların viskozitesi düşüktür, genellikle 1-10 μPa s arasındadır. Suyun viskozitesi yaklaşık 1.0020 mPa s iken kanın viskozitesi 3 ile 4 mPa s arasındadır (kan sudan daha kalındır sözüne yeni bir anlam katıyor!)
Yemeklik yağların viskoziteleri yaklaşık 25 ila 100 mPa s arasındayken, motor yağı ve makine yağlarının viskoziteleri birkaç yüz mPa s civarındadır.
Soluduğunuz havanın viskozitesi yaklaşık 18 μPa s'dir.
Erimiş cam, katılaştıkça sonsuzluğa yaklaşan yüksek viskoziteye sahip en viskoz sıvılardan biridir. Erime noktasında camın viskozitesi yaklaşık 10 Pa s'dir, bu ise çalışma noktasında 100 kat ve 10 kattan fazla artar.11 tavlama noktasında.
Newton Akışkanları
Bir Newtonion sıvısı, kesme geriliminin kesme hızı ile doğrusal olarak ilişkili olduğu sıvıdır. Böyle bir sıvıda, o sıvının viskozitesi sabit bir değerdir. (Newton tipi olmayan bir akışkanda viskozite, zaman gibi başka bir değişkenin dinamik bir fonksiyonu haline gelir.)
Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, Newtonion sıvılarıyla çalışmak ve modellemek daha kolaydır. Uygun olarak, birçok yaygın sıvı, iyi bir yaklaşım için Newton'dur. Newtonyen olmayan akışkanların sergileyebileceği bazı davranışlar, viskozitenin kayma hızıyla değiştiği akışkanları ve çalkalandığında, çalkalandığında veya bozulduğunda daha az veya daha fazla viskoz hale gelen akışkanları içerir.
Su ve hava Newtonion sıvılarına örnektir. Newton tipi olmayan sıvılara örnek olarak damlatmayan boya, bazı polimer çözeltileri ve hatta kan verilebilir. İlkokul öğrencilerinin en sevdiği Newton olmayan sıvı oobleck'tir - hızlı bir şekilde çalışıldığında neredeyse katı davranan ve daha sonra yalnız bırakıldığında eriyen mısır nişastası ve su karışımı.
İpuçları
Oobleck nasıl yapılır:2 ölçü mısır nişastasını 1 ölçü su ile karıştırın. İsterseniz az miktarda gıda boyası ekleyin. Çözeltiyi delmeyi veya bir top haline getirmeyi ve ardından elinizde erimesine izin vermeyi deneyin!
Viskozite Nasıl Ölçülür
Viskozite birkaç farklı yolla ölçülebilir. Bunlar, bir viskozimetre veya herhangi bir sayıda DIY deneyi gibi aletlerin kullanılmasını içerir.
Viskozimetreler en iyi Newton akışkanlarında kullanılır ve iki yoldan biriyle çalışma eğilimindedir. Ya küçük bir nesne sabit bir sıvının içinden geçer ya da sıvı sabit bir nesnenin yanından akar. İlişkili sürtünmeyi ölçerek viskozite belirlenebilir. Kılcal viskozimetreler, belirli bir hacimdeki sıvının belirli bir uzunluktaki kılcal borudan akması için gereken süreyi belirleyerek çalışır. Düşen top viskozimetreleri, bir topun yerçekimi etkisi altında bir numuneden düşmesi için geçen süreyi ölçer.
Newton tipi olmayan akışkanların viskozitesini ölçmek için genellikle bir reometre kullanılır. Reoloji, sıvıların ve yumuşak katıların akışını inceleyen ve nasıl deforme olduklarını gözlemleyen bir fizik dalının adıdır. Bir reometre, Newton tipi olmayan akışkanların sabit viskozite değerlerine sahip olmadığı için viskozite ölçülürken daha fazla değişkenin belirlenmesine izin verir. İki ana reometre türü şunlardır:kesmereometreler (uygulanan kayma gerilimini kontrol eden) vegenişlemelireometreler (uygulanan dış kesme gerilimine göre çalışan).
DIY Viskozite Ölçümü
Aşağıda, birkaç basit malzemeyi kullanarak bir sıvının viskozitesini evde nasıl ölçebileceğiniz açıklanmaktadır. Ancak bu yöntemi uygulamak için öncelikle Stokes yasasına ihtiyacınız olacak. Stokes yasası sürükleme kuvveti ile ilgilidir.Fviskoz bir sıvıdan viskoziteye, kürenin yarıçapına hareket eden küçük bir küre üzerinderve kürenin son hızıv, üzerinden:
F = 6\pi \eta r v
Artık bu yasaya sahip olduğunuza göre, kendi düşen top viskozimetrenizi oluşturabilirsiniz.
İhtiyacınız Olan Şeyler
- cetvel
- İzlemeyi durdur
- Büyük bir dereceli silindir
- Küçük bir mermer veya çelik bilye
- Viskozitesini ölçmek istediğiniz sıvı
Bilinen bir hacimdeki sıvıyı tartarak ve kütlesini hacme bölerek sıvının yoğunluğunu hesaplayın.
Önce çapını ölçerek ve V = 4/3πr formülünü kullanarak topun yoğunluğunu hesaplayın.3 hacmini hesaplamak için Sonra topu tartın ve kütleyi hacme bölün.
Dereceli silindirdeki sıvının içinden düşerken topun son hızını ölçün. Kalın bir sıvıda bilye oldukça hızlı bir şekilde sabit bir hıza ulaşacaktır. Topun dereceli silindir üzerinde işaretlenmiş iki nokta arasından geçmesinin ne kadar sürdüğünü ve ardından hızı belirlemek için bu mesafeyi zamana bölün.
Akışkanın viskozitesi, Stokes kanunu kullanılarak ve viskozite için çözülerek bulunabilir:
\eta = \frac{F}{6\pi rv}
Bu durumda F, sürükleme kuvvetidir. Sürükleme kuvvetini belirlemek için net kuvvet denklemini yazmalı ve çözmelisiniz. Top son hızdayken net kuvvet denklemi:
F_net = F_b + F - F_g = 0
NeredeFbkaldırma kuvvetidir veFgyerçekimi kuvvetidir. F'yi çözerek ve ifadeleri ekleyerek şunları elde edersiniz:
F = F_g - F_b = \rho_bV_bg-\rho_fV_bg = 4/3\pi r^3(\rho_b-\rho_f)
NeredeVbtopun hacmi,ρbtopun yoğunluğu veρf sıvının yoğunluğudur.
Dolayısıyla viskozite formülü şöyle olur:
\eta = \frac{2r^2g(\rho_b-\rho_f)}{9v}
Nihai sonucu hesaplamak için topun yarıçapı, topun ve sıvının yoğunluğu ve terminal hızı için ölçülen değerlerinizi girmeniz yeterlidir.