Naliješ med. Vylévá se v hustých kapkách. Tlustý. Pomalý. Voda se šplouchnutím dopadá na umyvadlo. Rychle. Chaotický.
Rozdíl není jen v textuře. To je fyzika. Totiž – viskozita.
Většina lidí si pod pojmem viskozita představí „tloušťku“. To je blízko, ale nevystihuje podstatu. Viskozita je odolnost, kterou kapaliny a plyny nabízejí proti proudění a deformaci. Toto je míra toho, jak moc tekutina odolává, když se ji pokoušíte donutit k pohybu.
Jak funguje viskozita na molekulární úrovni
Všechno to souvisí s vnitřním třením.
Představte si částice uvnitř kapaliny. Neplavou jen volně. Vzájemně se ovlivňují. Jsou přitahováni. Odrážejí se. Síla vazeb mezi atomy a molekulami určuje, jak snadno mohou vrstvy kapaliny klouzat jedna po druhé.
Pokud jsou tyto vazby slabé, molekuly po sobě snadno sklouznou. Tekutina proudí. Jsou-li vazby silné, molekuly drží těsně u sebe. Brání se rozchodu. Odolávají deformaci.
Čím vyšší jsou mezimolekulární přitažlivé síly, tím vyšší je viskozita.
Toto je přímý vztah. Silnější přitažlivost znamená větší odpor. Větší odpor znamená viskóznější kapalinu.
Proč je to důležité pro plyny a kapaliny
Obvykle o tom mluvíme v souvislosti s kapalinami. Olej. Sirup. Mléko. Ale i plyny mají viskozitu. Vzduch má také viskozitu. Je jen mnohem nižší, protože molekuly jsou dále od sebe a interagují méně často.
Viskozita je jednou z hlavních charakteristik kapalin a plynů. Je nemožné definovat kapalinu bez uvedení toho, jak odolává toku.
Podívejte se na to takto:
- Nízká viskozita : kapalina snadno teče. Nízké vnitřní tření. Například voda nebo alkohol.
- Vysoká viskozita : Kapalina odolává toku. Vysoké vnitřní tření. Například melasa nebo hustý motorový olej.
Odpor zcela závisí na tom, jak moc se molekuly nebo částice snaží zůstat pohromadě, když je násilně oddělíte.
Takže když vidíte pohyb tekutiny, ve skutečnosti sledujete bitvu. Sledujete, jak se vnější síla snaží překonat vnitřní molekulární přitažlivost. Kdo vyhraje, určuje rychlost.
Jak vlastně měřit viskozitu bez hádání
Nelze to posoudit jen podle oka. Alespoň ne úplně. Potřebujete nástroje. A to viskozitometr nebo reometr. Tato zařízení nesledují pouze kapalinu; měří odpor. Výsledek? Číslo označené řeckým písmenem μ (mu). Toto je symbol pro dynamickou viskozitu.
Ale jak to vypočítat? Musíme kontaktovat Newtona. Jeho zákon viskozity dává vzorec:
𝞽 = μ(u/y)
Vypadá to jednoduše. Ale to není pravda. Co znamenají proměnné v reálném světě:
- 𝞽 je smykové napětí. Představte si to jako tangenciální tlak působící na povrch.
- μ je samotná dynamická viskozita.
- u — rychlost tekutiny.
- y je vzdálenost nebo deformace mezi vrstvami kapaliny.
Jednotkou SI je pascal sekunda (Pa s). Ale inženýři a vědci často mluví jinými jazyky. Poise (P) pochází ze systému GHS a rovná se 0,1 Pa s. centipoise (cP), kterou s největší pravděpodobností uvidíte, je 0,01 poise neboli 10 Pa s. Pak jsou zde gramy za centimetr-sekundu (g/cm·s), což je jen jiný způsob, jak říci 1 poise. Newtony za sekundu na metr čtvereční (N s/m²) a kilogramy za sekundu metru (kg/m s) se rovnají 1 Pa s. Je to chaos měrných jednotek, ale všechny odrážejí stejnou fyzikální realitu.
Proč se jogurt chová jinak než voda
Viskozita není pevnou charakteristikou. Záleží na kapalině. A na teplotě.
Vezmeme si vodu. Zahřejte to a bude to proudit rychleji. Viskozita klesá. Většina kapalin se takto chová. A co plyny? Dělají opak. Plyn se zahřívá a jeho viskozita se zvyšuje. Proč? Protože při vyšších teplotách se částice častěji srážejí a vytvářejí větší vnitřní tření. To je kontraintuitivní, pokud jste zvyklí myslet pouze na tekutiny.
Pak je tu typ kapaliny. Máte co do činění s newtonskou tekutinou nebo nenewtonskou?
Voda a většina plynů jsou newtonovské. Míchejte je rychle nebo pomalu a jejich viskozita zůstává stejná. Vnitřní odpor je konstantní bez ohledu na působící sílu.
Jogurt, barva a želatina nejsou. Jedná se o nenewtonské kapaliny. Při působení síly se mění jejich viskozita. Jogurt leží hustý a nehybný na lžíci. Zamíchejte a najednou to začne téct. Přestaňte míchat a znovu zhoustne. Toto chování vytváří rychlostní gradient mezi vrstvami tekutiny. Různé části tekutiny se pohybují různými rychlostmi, protože se mění vnitřní tření.
Zde hrají roli molekulární síly. Silná mezimolekulární přitažlivost znamená vyšší viskozitu. Nízká gravitace znamená, že kapalina snadno klouže. Tekutina s nulovou viskozitou je teoretický konstrukt nazývaný ideální kapalina nebo supratekutina. Ve vaší kuchyni neexistuje, ale ve fyzice je důležitý.
Dynamická a kinematická viskozita: jaký je rozdíl?
Musíte vědět, o čem přesně mluvíme.
Dynamická viskozita (nebo absolutní viskozita) je vnitřní odpor mezi molekulami. Je to to, co drží kapalinu pohromadě a zabraňuje jejímu rozptýlení. Už jsme probrali jeho symbol, μ, a jeho jednotku, pascal sekundu.
Kinematická viskozita je jiná. Vztahuje dynamickou viskozitu k hustotě. Symbol je ν (nahá). vzorec:
ν = μ / ρ
Kde ρ je hustota kapaliny.
Protože zahrnuje hustotu, mění se jednotky měření. Jednotkou CGS je stokes (St), což se rovná čtverečním centimetrům za sekundu (cm²/s). Často uvidíte centistokes (cSt), což se rovná 0,01 stokes. V SI to jsou metry čtvereční za sekundu, ačkoli pro většinu běžných kapalin je to velké číslo.
Proč se liší? Protože dynamická viskozita vám říká sílu potřebnou k pohybu tekutiny. Kinematická viskozita vám říká, jak tekutina proudí pod vlivem gravitace. Jedna se týká úsilí; druhou je rychlost proudění.
Viskozita každodenních látek
Voda o teplotě 20°C má viskozitu 1 centipoise. To nestačí. Snadno se vylévá. Je to jedna z nejméně viskózních běžných kapalin.
Porovnejte to s máslem. Ať už jde o olej na vaření ze semen nebo topný olej z rafinované ropy, olej je viskózní. Topný olej je obzvláště hustý. Odolává průtoku, takže motory potřebují čerpadla a tlak k jeho pohybu.
Gel na vlasy a šampon mají také vysokou viskozitu. Jejich molekuly odolávají pohybu. Zatřeste lahvičkou a budou méně viskózní. Nechte je na pokoji a mohou se dokonce cítit tvrdě. V praxi jsou nenewtonské, mění texturu v závislosti na míchání.
Glycerin je dalším příkladem. Nachází se v živočišných a rostlinných tucích a používá se v mýdlech a kosmetice pro svou hustou, lepkavou povahu. Neteče to jako voda.
Rtuť je tekutý kov. Je hustý a má svůj specifický viskozitní profil, používaný v průmyslových procesech a historicky v lékařských zařízeních. Díky kovové vazbě se chová jinak než organické kapaliny.
Sirupy jsou viskózní díky obsahu cukru. Vysoká koncentrace rozpuštěných pevných látek vytváří odpor mezi molekulami. Plynou pomalu, záměrně.
Pochopení viskozity je víc než jen vědět, jak je něco tlusté. Je to předpověď toho, jak se látka bude chovat, když ji zatlačíte, zahřejete nebo necháte být.
