Ορισμός ιξώδους και παραδείγματα
Εξ ορισμού, ιξώδες είναι η αντίσταση ενός ρευστού στη ροή ή την παραμόρφωση. Ένα ρευστό με υψηλό ιξώδες, όπως το μέλι, ρέει με πιο αργό ρυθμό από ένα λιγότερο παχύρρευστο ρευστό, όπως το νερό. Η λέξη "ιξώδες" προέρχεται από τη λατινική λέξη για γκι, viscum . Τα μούρα γκι δίνουν μια παχύρρευστη κόλλα, που ονομάζεται επίσης viscum. Τα κοινά σύμβολα για το ιξώδες περιλαμβάνουν το ελληνικό γράμμα mu (μ) και το ελληνικό γράμμα eta (η). Το αντίστροφο του ιξώδους είναι ρευστότητα .
- Το ιξώδες είναι η αντίσταση ενός ρευστού στη ροή.
- Το ιξώδες του υγρού μειώνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
- Το ιξώδες του αερίου αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
Μονάδες ιξώδους
Η μονάδα SI για το ιξώδες είναι newton-second ανά τετραγωνικό μέτρο (N·s/m). Ωστόσο, συχνά θα δείτε το ιξώδες να εκφράζεται σε πασκάλ-δευτερόλεπτο (Pa·s), χιλιόγραμμα ανά μέτρο ανά δευτερόλεπτο (kg·m·s), poise (P ή g·cm·s =0,1 Pa·s) ή centipoise (cP). Αυτό κάνει το ιξώδες του νερού στους 20 °C περίπου 1 cP ή 1 mPa·s.
Στην αμερικανική και βρετανική μηχανική, μια άλλη κοινή μονάδα είναι τα λίβρα-δευτερόλεπτα ανά τετραγωνικό πόδι (lb·s/ft). Μια εναλλακτική και ισοδύναμη μονάδα είναι pound-force-seconds ανά τετραγωνικό πόδι (lbf·s/ft).
Πώς λειτουργεί το ιξώδες
Το ιξώδες είναι η τριβή μεταξύ των μορίων του υγρού. Όπως συμβαίνει με την τριβή μεταξύ στερεών, το υψηλότερο ιξώδες σημαίνει ότι χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να ρέει ένα ρευστό.
Όταν ρίχνετε ένα υγρό από ένα δοχείο, υπάρχει τριβή μεταξύ του τοιχώματος του δοχείου και των μορίων. Βασικά, αυτά τα μόρια κολλάνε στην επιφάνεια σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό. Εν τω μεταξύ, τα μόρια πιο μακριά από την επιφάνεια είναι πιο ελεύθερα να ρέουν. Αναστέλλονται μόνο από τις αλληλεπιδράσεις τους μεταξύ τους. Το ιξώδες εξετάζει τη διαφορά στον ρυθμό ροής ή παραμόρφωσης μεταξύ των μορίων σε μια ορισμένη απόσταση από μια επιφάνεια και εκείνων στη διεπιφάνεια υγρού-επιφανείας.
Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν το ιξώδες. Αυτά περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία, την πίεση και την προσθήκη άλλων μορίων. Η επίδραση της πίεσης στα υγρά είναι μικρή και συχνά αγνοείται. Η επίδραση της προσθήκης μορίων μπορεί να είναι σημαντική. Για παράδειγμα, η προσθήκη ζάχαρης στο νερό το κάνει πολύ πιο παχύρρευστο.
Όμως, η θερμοκρασία έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο ιξώδες. Σε ένα υγρό, η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει το ιξώδες επειδή η θερμότητα δίνει στα μόρια αρκετή ενέργεια για να υπερνικήσουν τη διαμοριακή έλξη. Τα αέρια έχουν επίσης ιξώδες, αλλά η επίδραση της θερμοκρασίας είναι ακριβώς το αντίθετο. Η αύξηση της θερμοκρασίας του αερίου αυξάνει το ιξώδες. Αυτό συμβαίνει επειδή η διαμοριακή έλξη δεν παίζει σημαντικό ρόλο στο ιξώδες του αερίου, αλλά η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε περισσότερες συγκρούσεις μεταξύ των μορίων.
Δυναμικό ιξώδες έναντι κινηματικού ιξώδους
Υπάρχουν δύο τρόποι για να αναφέρετε το ιξώδες. Απόλυτο ή δυναμικό ιξώδες είναι ένα μέτρο της αντίστασης ενός ρευστού στη ροή ενώ το κινητικό ιξώδες είναι ο λόγος του δυναμικού ιξώδους προς την πυκνότητα ενός ρευστού. Αν και η σχέση είναι απλή, είναι σημαντικό να θυμάστε ότι δύο ρευστά με τις ίδιες τιμές δυναμικού ιξώδους μπορεί να έχουν διαφορετικές πυκνότητες και επομένως να διαφέρουν στις τιμές κινηματικού ιξώδους. Και, φυσικά, το δυναμικό ιξώδες και το κινηματικό ιξώδες έχουν διαφορετικές μονάδες.
Πίνακας τιμών ιξώδους
| Ρευστό | Ιξώδες (mPa·s ή cP) | Θερμοκρασία (°C) |
|---|---|---|
| Βενζόλιο | 0,604 | 25 |
| Νερό | 1.0016 | 20 |
| Ερμής | 1.526 | 25 |
| Πλήρες γάλα | 2.12 | 20 |
| Μπύρα | 2,53 | 20 |
| Ελαιόλαδο | 56.2 | 26 |
| Μέλι | 2000-13000 | 20 |
| Κέτσαπ | 5000-20000 | 25 |
| Φυστικοβούτυρο | 10-10 | 20-25 |
| Πρόσβαση | 2,3 x 10 | 10-30 |
Ιξώδες νερού
Το δυναμικό ιξώδες του νερού είναι 1,0016 millipascals⋅second ή 1,0 centipoise (cP) στους 20 °C. Το κινηματικό του ιξώδες είναι 1,0023 cSt, 1,0023×10 m/s ή 1,0789×10 ft/s.
Το ιξώδες του υγρού νερού μειώνεται όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Το αποτέλεσμα είναι αρκετά δραματικό. Για παράδειγμα, το ιξώδες του νερού στους 80 °C είναι 0,354 millipascals⋅second. Από την άλλη πλευρά, το ιξώδες των υδρατμών αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
Το ιξώδες του νερού είναι χαμηλό, ωστόσο είναι υψηλότερο από αυτό των περισσότερων άλλων υγρών που αποτελούνται από μόρια συγκρίσιμου μεγέθους. Αυτό οφείλεται σε δεσμούς υδρογόνου μεταξύ γειτονικών μορίων νερού.
Νευτώνεια και μη Νευτώνεια Ρευστά
Νόμος της τριβής του Νεύτωνα είναι μια σημαντική εξίσωση που σχετίζεται με το ιξώδες.
τ =μ dc / dy =μ γ
όπου
τ =διατμητική τάση σε ρευστό (N/m)
μ =δυναμικό ιξώδες υγρού (N s/m)
dc =μονάδα ταχύτητας (m/s)
dy =μονάδα απόστασης μεταξύ των στρωμάτων (m)
γ =dc / dy =ρυθμός διάτμησης (s)
Η αναδιάταξη των όρων δίνει τον τύπο για το δυναμικό ιξώδες:
μ =τ dy / dc =τ / γ
Ένα νευτώνειο ρευστό είναι ένα ρευστό που υπακούει στο νόμο της τριβής του Νεύτωνα, όπου το ιξώδες είναι ανεξάρτητο από τον ρυθμό παραμόρφωσης. Ένα μη νευτώνειο ρευστό είναι κάτι που δεν υπακούει στο νόμο της τριβής του Νεύτωνα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους τα μη νευτώνεια ρευστά αποκλίνουν από τη νευτώνεια συμπεριφορά:
- Σε ρευστά διάτμησης , το ιξώδες μειώνεται καθώς αυξάνεται ο ρυθμός διατμητικής παραμόρφωσης. Το κέτσαπ είναι ένα καλό παράδειγμα υγρού που αραιώνει τη διάτμηση.
- Σε ρευστά πάχυνσης διάτμησης , το ιξώδες αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο ρυθμός διατμητικής παραμόρφωσης. Το εναιώρημα σωματιδίων πυριτίου σε πολυαιθυλενογλυκόλη που βρίσκεται στη θωράκιση σώματος και σε μερικά τακάκια φρένων είναι ένα υγρό που παχύνει τη διάτμηση.
- Σε ένα θιξοτροπικό υγρό , ανακίνηση ή ανάδευση μειώνει το ιξώδες. Το γιαούρτι είναι ένα παράδειγμα θιξοτροπικού υγρού.
- Σε ένα ρεοπεκτικό ή διασταλτικό υγρό , ανακίνηση ή ανάδευση αυξάνει το ιξώδες. Ένα μείγμα αμύλου καλαμποκιού ή νερού (oobleck) είναι ένα καλό παράδειγμα διασταλτικού.
- Πλαστικά Bingham συμπεριφέρονται ως στερεά κανονικά, αλλά ρέουν ως παχύρρευστο υγρό υπό υψηλή τάση. Η μαγιονέζα είναι ένα παράδειγμα πλαστικού Bingham.
Μέτρηση ιξώδους
Όργανα για τη μέτρηση του ιξώδους είναι τα ιξωδόμετρα και τα ροόμετρα. Τεχνικά, το ρεόμετρο είναι ένας ειδικός τύπος ιξωδόμετρου. Οι συσκευές είτε μετρούν τη ροή ενός ρευστού πέρα από ένα ακίνητο αντικείμενο είτε την κίνηση ενός αντικειμένου μέσα από ένα ρευστό. Η τιμή του ιξώδους είναι η αντίσταση μεταξύ του ρευστού και της επιφάνειας του αντικειμένου. Αυτές οι συσκευές λειτουργούν όταν υπάρχει στρωτή ροή και μικρός αριθμός Reynold.
Αναφορές
- Assael, M. J.; et al. (2018). «Τιμές αναφοράς και συσχετίσεις αναφοράς για τη θερμική αγωγιμότητα και το ιξώδες των υγρών». Journal of Physical and Chemical Reference Data . 47 (2):021501. doi:10.1063/1.5036625
- Balescu, Radu (1975). Στατιστική Μηχανική Ισορροπίας και Μη Ισορροπίας . John Wiley &Sons. ISBN 978-0-471-04600-4.
- Bird, R. Bryon; Armstrong, Robert C.; Hassager, Ole (1987). Dynamics of Polymeric Liquids, Volume 1:Fluid Mechanics (2η έκδ.). John Wiley &Sons.
- Cramer, M. S. (2012). «Αριθμητικές εκτιμήσεις για το χύμα ιξώδες των ιδανικών αερίων». Φυσική των υγρών . 24 (6):066102–066102–23. doi:10.1063/1.4729611
- Hildebrand, Joel Henry (1977). Ιξώδες και διαχυτικότητα:Μια προγνωστική θεραπεία . John Wiley &Sons. ISBN 978-0-471-03072-0.
