ความหนืด (Viscosity)

การทดลองที่ 1 เรื่อง: ความหนืด (Viscosity)

1 วัตถุประสงค์

1. เพื่อทราบสมบัติของความหนืดของของไหลชนิดต่างๆ

2. สามารถระบุชนิดของของไหลนั่นๆ ได้

2 ทฤษฎี

ความหนืดเป็นสมบัติของของไหล ที่ต้านการไหล สมมุติให้แผ่น 2 แผ่นขนานกัน เคลื่อนที่สัมพัทธ์ซึ่งกันและกัน จะพบว่า จะต้องแรงที่ใช้ในการดึงแผ่นบนเพื่อให้เคลื่อนที่ แรงที่ใช้ดึงเรียกว่า viscous drag force ดังรูป 1.

รูปที่ 1 Viscous forces in a fluid.

แผ่นสองแผ่น วางห่างกันระยะทาง Z และความเร็วของแผ่นราบคือ v ดังนั้นจะได้แรงที่ใช้ดึงแผ่นราบ คือ F จากการทดลองพบว่า แรงดังกล่าวเป็นสัดส่วนกับโดยตรงกับ v และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทาง Z สัมประสิทธิ์เรียกว่า ความหนืด (viscosity) และมีสัญลักษณ์ m (mu).

จากนิยามจะได้

F/A = mv/Z

จากสูตร จัดรูปใหม่ จะได้หน่วยความหนืด (N s m^-2) หรือ Pascal second, (Pa s)

กำหนดให้ 10 poises = 1000 centipoises = 1 N s m^-2 = 1 Pa s

ค่าความหนืดของสารต่างๆ สามารถหาได้จาก ภาคผนวก ตัวอย่างเช่น

Water at room temperature = 1 x 10^-3 N s m^-2 Acetone = 0.3 x 10^-3 N s m^-2 Tomato pulp = 3 x 10^-3 N s m^-2 olive oil = 100 x 10^-3 N s m^-2 molasses = 7000 N s m^-2.

ความหนืด เป็นสมบัติที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ โดยเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความหนืดจะลดลงอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น ความหนืดของ Golden syrup มีค่า 100 N s m^-2 ที่ T= 16C, และมีค่า 40 Pa s ที่ T= 22C และมีค่า 20 Pa s ที่ T= 25C

ความหนืด(m) เป็น Dynamic Viscosity

ความหนืดจนล์(u) เป็น kinetic viscosity ซึ่ง u = m/r

Newtonian and Non-Newtonian Fluids

จากนิยามของความหนืด viscosity ในสมการที่ (5.14) สามารถเขียนใหม่ได้เป็น:

F/A = mv /Z = m (dv/dz) = t

โดย t (tau) เรียกว่า shear stress

สำหรับของไหลชนิดต่างๆ พบว่า ค่า shear stress จะมีความสัมพันธ์ดังสมการ

t=k(dv/dz)ⁿ

และเรียกสมการนี้ว่า power-law equation โดยที่ k เป็นค่าคงที่

ของไหลชนิด Newtonian มี่ค่า n = 1 ของไหลชนิด Non-Newtonian มีค่า n ไม่เท่ากับ 1 (มากว่า หรือ น้อยกว่า 1 ก็ได้) ของไหลชนิด Non-Newtonian สามารถแบ่งได้ดังนี้

(1) Those in which n < 1. ดังรูปที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่าง shear rate กับ shear stress จะเป็นกราฟโค้งคว่ำ หมายความว่า เมื่อออกแรง shear rate มากขึ้น ความหนืดจะมีค่า ลดลง ตัวอย่างเช่น ซอสมะเขือเทศ และเรียกของไหลชนิดนี้ว่าเป็น pseudoplastic

(2) Those in which n > 1. ดังรูปที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่าง shear rate กับ shear stress จะเป็นกราฟโค้งหงาย หมายความว่า เมื่อออกแรง shear rate มากขึ้น ความหนืดจะมีค่าเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น crystallized sugar solutions หรือ สีทาบ้าน และเรียกของไหลชนิดนี้ว่าเป็น dilatant ส่วนของไหลชนิด Bingham fluids จะต้องออกแรง shear rate ถึงค่าค่าหนึ่ง แล้วมันถึงจะเคลื่อนที่

รูปที่ 2 Shear stress/shear rate relationships in liquids.

3 วิธีการทดลอง

4 ผลการทดลองและอภิปรายผลการทดลอง