Je giet honing. Het plakt. Dik. Langzaam. Het water valt met een plons in de gootsteen. Snel. Chaotisch.
Het verschil zit niet alleen in de textuur. Het is natuurkunde. Concreet is het viscositeit.
De meeste mensen beschouwen viscositeit als ‘dikte’. Dat is dichtbij, maar het mist het punt. Viscositeit is de weerstand die vloeistoffen en gassen vertonen tegen stroming en vervorming. Het is de maatstaf voor hoeveel een vloeistof terugvecht als je hem probeert te verplaatsen.
Hoe viscositeit werkt op moleculair niveau
Het komt neer op interne wrijving.
Stel je de deeltjes in een vloeistof voor. Ze zweven niet alleen vrij rond. Ze hebben interactie. Trekken. Duwen. De sterkte van de bindingen tussen atomen en moleculen bepaalt hoe gemakkelijk die vloeistoflagen langs elkaar kunnen glijden.
Als die bindingen zwak zijn, glijden de moleculen met weinig moeite van elkaar weg. De vloeistof stroomt. Als de bindingen sterk zijn, kleven de moleculen aan elkaar. Ze verzetten zich tegen scheiding. Ze zijn bestand tegen vervorming.
Hoe hoger de intermoleculaire aantrekkingskracht, hoe hoger de viscositeit.
Het is een directe afweging. Sterkere aantrekkingskracht betekent meer weerstand. Meer weerstand betekent een stroperiger vloeistof.
Waarom dit belangrijk is voor gassen en vloeistoffen
Meestal praten we hierover met vloeistoffen. Olie. Siroop. Melk. Maar gassen hebben ook viscositeit. Lucht heeft viscositeit. Het is gewoon veel lager omdat de moleculen verder uit elkaar liggen en minder vaak op elkaar inwerken.
Viscositeit is een van de belangrijkste kenmerken van vloeistoffen. Je kunt een vloeistof niet definiëren zonder te definiëren hoe deze zich tegen stroming verzet.
Denk er zo over na:
- Lage viscositeit : de vloeistof stroomt gemakkelijk. Weinig interne wrijving. Denk aan water of alcohol.
- Hoge viscositeit : de vloeistof is bestand tegen stroming. Hoge interne wrijving. Denk aan melasse of zware motorolie.
De weerstand hangt volledig af van hoe hard de moleculen of deeltjes proberen bij elkaar te blijven als je ze uit elkaar duwt.
Dus als je een vloeistof ziet bewegen, kijk je eigenlijk naar een gevecht. Je ziet hoe externe krachten de interne moleculaire aantrekkingskracht proberen te overwinnen. Wie wint, bepaalt de snelheid.
Hoe je de viscositeit daadwerkelijk kunt meten zonder te raden
Je kunt er niet zomaar naar kijken. Niet echt. Je hebt gereedschap nodig. Concreet een viscositeitsmeter of een reometer. Deze apparaten kijken niet alleen naar de vloeistof; ze meten de weerstand. Het resultaat? Een getal dat wordt weergegeven door de Griekse letter μ (mu). Dat is het symbool voor dynamische viscositeit.
Maar hoe bereken je het? Ga terug naar Newton. Zijn wet van viscositeit geeft je de formule:
𝞽 = μ(u/j)
Het ziet er eenvoudig uit. Dat is het niet. Dit is wat de variabelen eigenlijk betekenen in de echte wereld:
- 𝞽 is schuifspanning. Zie het als de tangentiële druk die op het oppervlak drukt.
- μ is de dynamische viscositeit zelf.
- u is de snelheid van de vloeistof.
- y is de afstand of vervorming tussen vloeistoflagen.
In het SI-systeem is de eenheid de pascal-seconde (Pa·s). Maar ingenieurs en wetenschappers spreken vaak andere talen. De poise (P) komt uit het CGS-systeem en is gelijk aan 0,1 Pa·s. Je zult de centipoise (cP) waarschijnlijk vaker tegenkomen: deze is 0,01 poise, oftewel 10 Pa·s. Dan is er gram per centimeter-seconde (g/cm·s), wat gewoon een andere manier is om 1 poise te zeggen. Newtons per seconde per vierkante meter (N·s/m²) en kilogram per meter-seconde (kg/m·s) zijn beide gelijk aan 1 Pa·s. Het is een warboel van eenheden, maar ze komen allemaal overeen met dezelfde fysieke realiteit.
Waarom yoghurt zich anders gedraagt dan water
Viscositeit is geen vaste eigenschap. Het hangt van de vloeistof af. En de temperatuur.
Neem water. Verwarm het en het stroomt sneller. De viscositeit daalt. De meeste vloeistoffen doen dit. Maar gassen? Ze doen het tegenovergestelde. Verhit een gas en de viscositeit ervan neemt toe. Waarom? Omdat de deeltjes bij hogere temperaturen vaker botsen, ontstaat er meer interne wrijving. Het is contra-intuïtief als je gewend bent alleen aan vloeistoffen te denken.
Dan is er het type vloeistof. Heeft u te maken met een Newtoniaanse vloeistof of een niet-Newtoniaanse vloeistof?
Water en de meeste gassen zijn Newtoniaans. Roer ze hard of langzaam, en hun viscositeit blijft hetzelfde. De interne weerstand is constant, ongeacht de kracht die u uitoefent.
Yoghurt, verf en gelatine zijn dat niet. Het zijn niet-Newtoniaanse vloeistoffen. Hun viscositeit verandert als je kracht uitoefent. Yoghurt zit dik en stil op een lepel. Roer het en het stroomt plotseling. Stop met roeren en het wordt weer dikker. Dit gedrag creëert een snelheidsgradiënt over de vloeistoflagen. Verschillende delen van de vloeistof bewegen met verschillende snelheden omdat de interne wrijving varieert.
Moleculaire krachten zijn hier van belang. Sterke intermoleculaire aantrekkingskracht betekent hogere viscositeit. Zwakke aantrekkingskracht betekent dat de vloeistof gemakkelijk wegglijdt. Een vloeistof zonder viscositeit is een theoretisch construct dat een ideale vloeistof of supervloeistof wordt genoemd. Het bestaat niet in jouw keuken, maar het is van belang in de natuurkunde.
Dynamische versus kinematische viscositeit: wat is het verschil?
Je moet weten over welke je het hebt.
Dynamische viscositeit (of absolute viscositeit) is de interne weerstand tussen moleculen. Het is wat de vloeistof bij elkaar houdt in plaats van te verspreiden. We hebben het symbool, μ, en de eenheid ervan, de pascal-seconde, al besproken.
Kinematische viscositeit is anders. Het relateert dynamische viscositeit aan dichtheid. Het symbool is ν (nu). De formule is:
ν = μ / ρ
Waarbij ρ de dichtheid van de vloeistof is.
Omdat het om dichtheid gaat, veranderen de eenheden. In het CGS-systeem is de eenheid stoke (St), wat gelijk is aan centimeter kwadraat per seconde (cm²/s). Je ziet vaak de centistoke (cSt), wat 0,01 stokes is. In SI is dit vierkante meter per seconde, hoewel dat voor de meest voorkomende vloeistoffen een groot aantal is.
Waarom ze onderscheiden? Omdat dynamische viscositeit u vertelt over de kracht die nodig is om de vloeistof te verplaatsen. Kinematische viscositeit vertelt u hoe de vloeistof onder invloed van de zwaartekracht stroomt. Eén gaat over inspanning; de andere gaat over de stroomsnelheid.
De viscositeit van alledaagse stoffen
Water van 20°C heeft een viscositeit van 1 centipoise. Dat is laag. Het giet gemakkelijk. Het is een van de minst stroperige, veel voorkomende vloeistoffen.
Vergelijk dat met olie. Of het nu gaat om bakolie uit zaden of stookolie uit geraffineerde aardolie, olie is stroperig. Stookolie is bijzonder dik. Het is bestand tegen stroming en daarom hebben motoren pompen en druk nodig om het in beweging te brengen.
Haargel en shampoo zijn ook zeer stroperig. Hun moleculen zijn bestand tegen beweging. Schud de fles en ze worden dunner. Laat ze zitten, en ze lijken misschien zelfs stevig. Ze zijn in de praktijk niet-Newtoniaans en veranderen de textuur op basis van agitatie.
Glycerine is een ander voorbeeld. Het wordt aangetroffen in dierlijke en plantaardige vetten en wordt gebruikt in zepen en cosmetica vanwege de dikke, plakkerige aard ervan. Het stroomt niet als water.
Kwik is een vloeibaar metaal. Het is compact en heeft zijn eigen specifieke viscositeitsprofiel, dat wordt gebruikt in industriële processen en van oudsher in medische apparatuur. Het gedraagt zich anders dan organische vloeistoffen vanwege de metaalbinding.
Siropen zijn stroperig vanwege het suikergehalte. De hoge concentratie opgeloste vaste stoffen zorgt voor weerstand tussen moleculen. Ze stromen langzaam, opzettelijk.
Het begrijpen van viscositeit gaat niet alleen over weten hoe dik iets is. Het gaat erom te voorspellen hoe het zich zal gedragen als je erop duwt, verwarmt of laat zitten.
