ความหนืด

ของไหล ทั้งของเหลวและก๊าซ มีความหนืดแตกต่างกัน ความหนืดโดยพื้นฐานแล้วคือแรงเสียดทานระหว่างโมเลกุลที่ประกอบเป็นของไหล โมเลกุลที่ประกอบเป็นของไหลจะเสียดสีกันขณะที่ไหล ในของเหลว ความหนืดเกิดจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล (แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่เหมือนกัน) ในก๊าซ ความหนืดเกิดจากการชนกันระหว่างโมเลกุล

ของเหลวมักไหลได้ง่ายกว่า เช่น น้ำ ในทางกลับกัน ของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่าจะไหลได้ยากกว่า เช่น น้ำมันปรุงอาหาร น้ำมันพืช น้ำผึ้ง เป็นต้น คุณสามารถพิสูจน์ได้โดยการเทน้ำและน้ำมันปรุงอาหารลงบนพื้นเอียง น้ำจะไหลเร็วกว่าน้ำมันปรุงอาหารหรือน้ำมันพืชอย่างแน่นอน ความหนืดของของเหลวยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย ยิ่งอุณหภูมิสูง ของเหลวก็จะยิ่งมีความหนืดน้อยลง ตัวอย่างเช่น เมื่อแม่ทอดปลาในครัว น้ำมันปรุงอาหารที่ตอนแรกมีความหนาแน่นสูงจะกลายเป็นของเหลวมากขึ้นเมื่อได้รับความร้อน ในทางกลับกัน ยิ่งอุณหภูมิสูง ก๊าซก็จะยิ่งมีความหนืดมากขึ้น

สัมประสิทธิ์ความหนืด

ความหนืดของของเหลวจะใช้สัญลักษณ์ η (อ่านว่า: อีตา) แทน η คือ สัมประสิทธิ์ความหนืด ดังนั้น ระดับความหนืดของของเหลวจึงแสดงได้ด้วยสัมประสิทธิ์ความหนืดของของเหลวนั้น

มีของเหลวบางๆ วางอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น แรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล (Cohesion) คือแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลชนิดเดียวกัน ในขณะที่แรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลต่างชนิด (Adhesion) คือแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกัน แรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกันจะกระทำระหว่างแผ่นโลหะกับชั้นของเหลวที่ติดอยู่กับแผ่นโลหะ (โมเลกุลของของเหลวและโมเลกุลของแผ่นโลหะดึงดูดซึ่งกันและกัน) ส่วนแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลต่างชนิดกันจะกระทำระหว่างชั้นของเหลวทั้งสอง (โมเลกุลของของเหลวดึงดูดซึ่งกันและกัน)

ในขั้นต้น แผ่นและชั้นของเหลวอยู่นิ่ง (ภาพที่ 1) หลังจากนั้น แผ่นด้านบนถูกดึงไปทางขวา (ภาพที่ 2) แผ่นด้านล่างไม่ถูกดึง (แผ่นด้านล่างอยู่นิ่ง) ขนาดของแรงดึงถูกปรับเพื่อให้แผ่นด้านบนเลื่อนไปทางขวาด้วยความเร็วคงที่ (v มีค่าคงที่) เนื่องจากมีแรงยึดเกาะระหว่างขอบของแผ่นและส่วนของของเหลวที่ติดอยู่กับแผ่น ของเหลวใต้แผ่นจึงเลื่อนไปทางขวาด้วย และเนื่องจากมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลว ของเหลวที่เลื่อนไปทางขวาจึงดึงดูดของเหลวด้านล่าง

ส่วนที่เป็นของเหลวด้านบนจะดึงส่วนที่เป็นของเหลวด้านล่างให้เคลื่อนไปทางขวา ในทางกลับกัน ส่วนที่เป็นของเหลวด้านล่างจะยึดส่วนที่เป็นของเหลวด้านบนไว้ ดังนั้นความเร็วของของเหลวจะแปรผัน ส่วนที่เป็นของเหลวด้านบนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว (v) ที่มากกว่า ส่วนที่เป็นของเหลวด้านล่างจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว (v) ที่น้อยกว่า และเป็นเช่นนี้เรื่อยไป ดังนั้นยิ่งค่า v ต่ำ ความเร็วก็จะยิ่งน้อยลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเร็วของชั้นของเหลวจะเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอจากบนลงล่างจนถึงระยะ l

การเปลี่ยนแปลงความเร็วของชั้นของเหลว (v) หารด้วยระยะทางที่เกิดการเปลี่ยนแปลง (l) = v/l v/l เรียกว่า ความชันของความเร็ว แผ่นด้านบนสามารถเคลื่อนที่ได้เนื่องจากแรงดึง (F) สำหรับของเหลวชนิดหนึ่ง ขนาดของแรงดึงที่ต้องการจะแปรผันตรงกับพื้นที่ของของเหลวที่ติดกับแผ่น (A) ความเร็วของของเหลว (v) และแปรผันผกผันกับระยะทาง l ในทางคณิตศาสตร์ สามารถเขียนได้ดังนี้:

สูตรสัมประสิทธิ์ความหนืด

ก่อนหน้านี้ได้อธิบายไปแล้วว่าของเหลวที่มีความหนืดต่ำมักไหลได้ง่ายกว่า ในขณะที่ของเหลวที่มีความหนืดสูงจะไหลได้ยากกว่า ความหนืดของของเหลวแสดงได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด ยิ่งของเหลวมีความหนืดมากเท่าใด แรงดึงที่ต้องการก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้ แรงดึงจะแปรผันตรงกับค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด สามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

ข้อสังเกต:

η = สัมประสิทธิ์ความหนืด

F = แรง

l = ระยะทาง

A = พื้นที่ผิว

v = ความเร็ว

∝ = เปรียบเทียบได้

ระบบหน่วยสากล (SI) สำหรับค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดคือ Ns/m² = Pa.s (ปาสคาลวินาที) หน่วย CGS (เซนติเมตรกรัมวินาที) สำหรับสัมประสิทธิ์ความหนืดคือ dyn.s/cm² = หน่วยพอยส์ (P) ความหนืดมักแสดงในหน่วยเซนติพอยส์ (cP) ด้วยเช่นกัน 1 cP = 1/100 P หน่วยพอยส์นี้ใช้เพื่อเป็นเกียรติแก่นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสผู้ล่วงลับ Jean Louis Marie Poiseuille (อ่านว่า: ปัว-ซู-ย)

1 poise = 1 dyn.s/cm² = 10^-1 เอ็นเอส/ม.²