viskositeten hos newtonska och icke-newtonska vätskor

om du är på denna sida har du förmodligen en allmän uppfattning om vad som är viskositet och hur viktigt det är i utvecklingen av någon applikation som innebär vätskeflöde. Fluidkarakterisering är dock mycket mer djup och komplex än vad som vanligtvis förväntas. Varje unikt material har sitt eget beteende när det utsätts för flöde, deformation eller stress.,

beroende på deras viskositetsbeteende som en funktion av skjuvhastighet, stress, deformationshistoria…, vätskor karakteriseras som newtonska eller icke-newtonska.

newtonska vätskor

newtonska vätskor är uppkallade efter Sir Issac Newton (1642 – 1726) som beskrev flödesbeteendet hos vätskor med en enkel linjär relation mellan skjuvspänning och skjuvhastighet ., Detta förhållande är nu känt som Newtons lag om viskositet, där proportionalitetskonstanten η är vätskans viskositet:

några exempel på newtonska vätskor inkluderar vatten, organiska lösningsmedel och honung. För dessa vätskor är viskositeten endast beroende av temperaturen. Som ett resultat, om vi tittar på en plot av skjuvspänning kontra skjuvhastighet (se Figur 1) kan vi se en linjär ökning av stress med ökande skjuvhastigheter, där lutningen ges av vätskans viskositet., Detta innebär att viskositeten hos newtonska vätskor kommer att förbli en konstant (se Figur 2) oavsett hur snabbt de tvingas strömma genom ett rör eller en kanal (dvs viskositeten är oberoende av skjuvhastigheten).

ett undantag från regeln är Bingham plastics, som är vätskor som kräver en minsta belastning som ska appliceras innan de flyter. Dessa är strikt icke-newtonska, men när flödet börjar uppträder de väsentligen som newtonska vätskor (dvs skjuvspänning är linjär med skjuvhastighet). Ett bra exempel på denna typ av beteende är majonnäs.,

newtonska vätskor består normalt av små isotropa (symmetriska i form och egenskaper) molekyler som inte är orienterade genom flöde. Det är emellertid också möjligt att ha Newtonskt beteende med stora anisotropa molekyler. Exempelvis kan protein-eller polymerlösningar med låg koncentration visa en konstant viskositet oavsett skjuvhastighet. Det är också möjligt för vissa prover att visa newtonska beteende vid låga skjuvhastigheter med en platå som kallas noll skjuvviskositetsområdet.,

icke-newtonska vätskor

I verkligheten är de flesta vätskor icke-newtonska, vilket innebär att deras viskositet är beroende av skjuvhastighet (Skjuvförtunning eller förtjockning) eller deformationshistorien (tixotropa vätskor). I motsats till newtonska vätskor visar icke-newtonska vätskor antingen ett icke-linjärt förhållande mellan skjuvspänning och skjuvhastighet (se Figur 1), har en sträckspänning eller viskositet som är beroende av tid eller deformationshistoria (eller en kombination av allt ovan!).,

en vätska skjuvs förtjockning om vätskans viskositet ökar när skjuvhastigheten ökar (Se figur 2). Ett vanligt exempel på skjuvförtjockningsvätskor är en blandning av majsstärkelse och vatten. Du har förmodligen sett exempel på detta på TV eller internet, där människor kan köra över denna typ av lösningar och ändå kommer de att sjunka om de står stilla. Vätskor skjuvas gallring om viskositeten minskar när skjuvhastigheten ökar. Skjuvförtunnande vätskor, även kända som pseudoplaster, är allestädes närvarande i industriella och biologiska processer., Vanliga exempel är ketchup, färger och blod.

icke-newtonska beteende av vätskor kan orsakas av flera faktorer, alla av dem relaterade till strukturell omorganisation av fluidmolekylerna på grund av flöde. I polymer smälter och lösningar, är det anpassningen av de mycket anisotropa kedjor som resulterar i en minskad viskositet. I kolloider är det segregationen av de olika faserna i flödet som orsakar ett skjuvförtunnande beteende.

varför ska jag bry mig?,

vätskeflödet är starkt beroende av vätskans viskositet. Samtidigt för en icke-newtonisk vätska bestäms viskositeten av flödesegenskaperna . Om man tittar på Figur 3 kan man observera tre mycket olika hastighetsprofiler beroende på vätskebeteendet. För alla dessa vätskor kommer skjuvhastigheten vid väggarna (dvs lutningen på hastighetsprofilen nära väggen) att bestämma viskositeten., Framgångsrik karakterisering av viskositet är nyckeln till att bestämma om en vätska är newtonisk eller icke-newtonisk, och vilket intervall av skjuvhastigheter måste övervägas för en specifik applikation. Många viskosimetrar på marknaden mäter indexviskositet men saknar ofta korrekt karakterisering av skjuvhastighet och absolut eller sann viskositet. Absolut viskositet är en av de viktigaste parametrarna i utveckling och modellering av applikationer som involverar vätskeflöde. Därför måste korrekt karakterisering av viskositeten utföras med en skjuvhastighet som är relevant för den specifika processen., Läs mer om RheoSense viskosimetrar och hur de tillåter mätningar av sann viskositet över ett brett spektrum av skjuvhastigheter.

om du är intresserad av att lära dig mer grunderna om viskositet, kolla in våra grundläggande webbplatser om:
  • Viskositetsenheter för dynamisk och kinematisk viskositet
  • vad är viskositet?