Wlewasz miód. Wylewa się gęstymi kroplami. Gruby. Powolny. Woda z pluskiem uderza w zlew. Szybko. Chaotyczny.
Różnica nie polega tylko na teksturze. To jest fizyka. Mianowicie – lepkość.
Większość ludzi myśli o lepkości jako o „grubości”. To jest blisko, ale nie oddaje istoty. Lepkość to opór, jaki ciecze i gazy stawiają przepływowi i odkształceniom. Jest to miara oporu płynu, gdy próbujesz zmusić go do ruchu.
Jak działa lepkość na poziomie molekularnym
Wszystko sprowadza się do tarcia wewnętrznego.
Wyobraź sobie cząstki wewnątrz cieczy. Nie tylko pływają swobodnie. Wchodzą w interakcję. Są przyciągani. Odpychają się. Siła wiązań między atomami i cząsteczkami określa, jak łatwo warstwy cieczy mogą się obok siebie przesuwać.
Jeśli te wiązania są słabe, cząsteczki łatwo przesuwają się obok siebie. Przepływ cieczy. Jeśli wiązania są mocne, cząsteczki przylegają ściśle do siebie. Przeciwstawiają się separacji. Są odporne na odkształcenia.
Im wyższe międzycząsteczkowe siły przyciągania, tym wyższa lepkość.
To jest bezpośredni związek. Silniejsze przyciąganie oznacza większy opór. Większy opór oznacza bardziej lepki płyn.
Dlaczego jest to ważne w przypadku gazów i cieczy
Zwykle mówimy o tym w kontekście płynów. Olej. Syrop. Mleko. Ale gazy mają również lepkość. Powietrze ma również lepkość. Jest po prostu znacznie niższy, ponieważ cząsteczki są dalej od siebie i rzadziej wchodzą w interakcje.
Lepkość jest jedną z głównych cech cieczy i gazów. Nie da się zdefiniować cieczy bez wskazania, w jaki sposób stawia ona opór przepływowi.
Spójrz na to w ten sposób:
- Niska lepkość : ciecz łatwo przepływa. Niskie tarcie wewnętrzne. Na przykład woda lub alkohol.
- Wysoka lepkość : Ciecz jest odporna na przepływ. Wysokie tarcie wewnętrzne. Na przykład melasa lub gęsty olej silnikowy.
Opór zależy całkowicie od tego, jak mocno cząsteczki lub cząstki starają się pozostać razem, gdy je rozpychasz.
Więc kiedy widzisz poruszający się płyn, tak naprawdę oglądasz bitwę. Obserwujesz, jak zewnętrzna siła próbuje pokonać wewnętrzne przyciąganie molekularne. Kto wygra, określa prędkość.
Jak zmierzyć lepkość bez zgadywania
Nie można tego oceniać na podstawie wzroku. Przynajmniej nie całkowicie. Potrzebujesz narzędzi. Mianowicie lepkościomierz lub reometr. Urządzenia te nie tylko monitorują ciecz; mierzą rezystancję. Wynik? Liczba oznaczona grecką literą μ (mu). Jest to symbol lepkości dynamicznej.
Ale jak to obliczyć? Musimy skontaktować się z Newtonem. Jego prawo lepkości podaje wzór:
𝞽 = μ(u/y)
Wygląda prosto. Ale to nieprawda. Oto, co zmienne oznaczają w prawdziwym świecie:
- 𝞽 to naprężenie ścinające. Pomyśl o tym jak o ciśnieniu stycznym działającym na powierzchnię.
- μ to sama lepkość dynamiczna.
- u — prędkość płynu.
- y to odległość lub odkształcenie pomiędzy warstwami cieczy.
Jednostką miary w SI jest paskal sekunda (Pa s). Ale inżynierowie i naukowcy często mówią innymi językami. Panu (P) pochodzi z systemu GHS i wynosi 0,1 Pa·s. centypuaz (cP), który najprawdopodobniej zobaczysz, to 0,01 puaz, czyli 10 Pa s. Następnie są gramy na centymetr-sekundę (g/cm·s), co jest innym sposobem powiedzenia 1 puaz. Newtony na sekundę na metr kwadratowy (N s/m²) i kilogramy na metr sekundę (kg/m s) są równe 1 Pa s. Jest to chaos jednostek miar, ale wszystkie odzwierciedlają tę samą rzeczywistość fizyczną.
Dlaczego jogurt zachowuje się inaczej niż woda
Lepkość nie jest stałą cechą. To zależy od płynu. I na temperaturę.
Weźmy wodę. Podgrzej go, a będzie płynął szybciej. Lepkość spada. Większość płynów zachowuje się w ten sposób. A co z gazami? Robią odwrotnie. Podgrzej gaz, a jego lepkość wzrośnie. Dlaczego? Ponieważ w wyższych temperaturach cząstki zderzają się częściej, tworząc większe tarcie wewnętrzne. Jest to sprzeczne z intuicją, jeśli jesteś przyzwyczajony do myślenia tylko o płynach.
Następnie jest rodzaj cieczy. Czy masz do czynienia z płynem newtonowskim czy nienewtonowskim?
Woda i większość gazów to ciała Newtona. Mieszaj je szybko lub wolno, a ich lepkość pozostaje taka sama. Opór wewnętrzny jest stały niezależnie od przyłożonej siły.
Jogurt, farba i żelatyna nie są. Są to płyny nienewtonowskie. Ich lepkość zmienia się pod wpływem siły. Jogurt leży gęsty i nieruchomy na łyżce. Wymieszaj i nagle zacznie płynąć. Przestań mieszać, a masa ponownie zgęstnieje. To zachowanie tworzy gradient prędkości pomiędzy warstwami płynu. Różne części płynu poruszają się z różnymi prędkościami, ponieważ zmienia się tarcie wewnętrzne.
W grę wchodzą tu siły molekularne. Silne przyciąganie międzycząsteczkowe oznacza wyższą lepkość. Niska grawitacja oznacza, że ciecz łatwo się ślizga. Płyn o zerowej lepkości jest konstrukcją teoretyczną zwaną płynem idealnym lub nadciekłym. Nie ma go w Twojej kuchni, ale w fizyce jest ważny.
Lepkość dynamiczna i kinematyczna: jaka jest różnica?
Musisz wiedzieć o czym dokładnie mówimy.
Lepkość dynamiczna (lub lepkość bezwzględna) to opór wewnętrzny pomiędzy cząsteczkami. To ona utrzymuje ciecz w całości, zapobiegając jej rozproszeniu. Omówiliśmy już jego symbol, μ, i jego jednostkę, sekundę pascalową.
Lepkość kinematyczna jest inna. Wiąże lepkość dynamiczną z gęstością. Symbol to ν (nagi). Formuła:
ν = μ / ρ
Gdzie ρ to gęstość cieczy.
Ponieważ uwzględnia gęstość, zmieniają się jednostki miary. Jednostką CGS jest stokes (St), który jest równy centymetrom kwadratowym na sekundę (cm²/s). Często zobaczysz centystokes (cSt), który jest równy 0,01 stokesa. W SI jest to metr kwadratowy na sekundę, chociaż w przypadku większości popularnych cieczy jest to duża liczba.
Dlaczego się różnią? Ponieważ lepkość dynamiczna informuje o sile wymaganej do przemieszczenia płynu. Lepkość kinematyczna informuje, jak płyn przepływa pod wpływem grawitacji. Jeden dotyczy wysiłku; drugim jest prędkość przepływu.
Lepkość substancji codziennego użytku
Woda w temperaturze 20°C ma lepkość 1 centypuaz. To nie wystarczy. Wylewa się łatwo. Jest to jedna z najmniej lepkich powszechnych cieczy.
Porównaj to do masła. Niezależnie od tego, czy jest to olej kuchenny z nasion, czy olej opałowy z rafinowanej ropy naftowej, olej jest lepki. Olej opałowy jest szczególnie gęsty. Jest odporny na przepływ, więc silniki potrzebują pomp i ciśnienia, aby go poruszyć.
Żel do włosów i szampon również mają wysoką lepkość. Ich cząsteczki są odporne na ruch. Wstrząśnij butelką, a staną się mniej lepkie. Zostaw je w spokoju, a mogą nawet poczuć się ciężko. W praktyce są one nienewtonowskie i zmieniają teksturę w zależności od mieszania.
Gliceryna to kolejny przykład. Występuje w tłuszczach zwierzęcych i roślinnych, jest stosowany w mydłach i kosmetykach ze względu na swoją gęstą, lepką naturę. Nie płynie jak woda.
Rtęć jest ciekłym metalem. Jest gęsty i ma swój specyficzny profil lepkości, stosowany w procesach przemysłowych i historycznie w urządzeniach medycznych. Zachowuje się inaczej niż ciecze organiczne ze względu na wiązanie metaliczne.
Syropy są lepkie ze względu na zawartość cukru. Wysokie stężenie rozpuszczonych substancji stałych powoduje opór między cząsteczkami. Płyną powoli, celowo.
Zrozumienie lepkości to coś więcej niż tylko wiedza, jak gęsta jest substancja. Jest to przewidywanie zachowania substancji po jej popchnięciu, podgrzaniu lub pozostawieniu w spokoju.
