Chất lỏng Newton và phi Newton là gì

Hiểu được hành vi phức tạp của chất lỏng là một yếu tố quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau, từ kỹ thuật đến khoa học y tế. Một sự khác biệt cơ bản trong lĩnh vực này là sự phân loại chất lỏng thành hai loại chính: Newton và phi Newton. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào làm sáng tỏ hai loại chất lỏng này đồng thời dựa trên các đặc điểm độc đáo và các hành vi tương phản của chúng-tất cả đều nhằm mục đích nắm bắt toàn diện chứng tỏ giá trị trong nhiều ứng dụng. Điều này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn cho dù bạn đang tiến hành nghiên cứu, làm việc trong một dự án hay chỉ đơn giản là thỏa mãn trí tò mò về động lực học chất lỏng. Với sự hướng dẫn đơn giản và rõ ràng của chúng tôi, chúng ta hãy bắt tay vào cuộc thám hiểm này vào thế giới hấp dẫn của chất lỏng Newton và phi Newton.

Chất lỏng Newton là gì

Chất lỏng Newton, được đặt theo tên của Ngài Isaac Newton, người đầu tiên nghiên cứu các chất này, là một trong những loại chất lỏng cơ bản nhất trong động lực học chất lỏng. Chúng được đặc trưng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và tốc độ biến dạng hoặc tốc độ biến dạng. Nói một cách đơn giản hơn, điều này có nghĩa là độ nhớt (hay ‘độ dính’) của chất lỏng Newton không đổi bất kể lực nào tác dụng lên nó.

Bạn đang xem: Chất lỏng Newton và phi Newton là gì

Độ nhớt có thể được coi là thước đo khả năng chống chảy của chất lỏng. Như vậy, khi bạn tác dụng một lực lên chất lỏng Newton, nó sẽ biến dạng với tốc độ ổn định tỷ lệ thuận với lực tác dụng. Nếu bạn giảm hoặc tăng lực, tốc độ dòng chảy sẽ phản ứng tương ứng và tức thời—nhanh chóng trở lại trạng thái ban đầu sau khi lực ngừng hoạt động mà không có bất kỳ tác động kéo dài nào.

Nước, dầu và xăng là những ví dụ phổ biến của chất lỏng Newton mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày. Những chất lỏng này thể hiện độ nhớt nhất quán bất kể điều kiện kích động hoặc áp suất, hoạt động có thể dự đoán được dưới các mức độ căng thẳng khác nhau.

Ví dụ về chất lỏng Newton

Nhiều vật liệu phổ biến được tìm thấy trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta là những ví dụ về chất lỏng Newton. Có lẽ ví dụ quen thuộc nhất là nước. Độ nhớt của nó vẫn nhất quán, bất kể nó được khuấy hay rót nhanh hay chậm. Do đó, nó thể hiện các đặc tính tinh túy của chất lỏng Newton.

Tiếp theo là dầu ăn được sử dụng rộng rãi; khả năng chống dòng chảy của nó không thay đổi khi khuấy ở các tốc độ khác nhau trong điều kiện bình thường. Các ví dụ về Newton hộ gia đình khác bao gồm: xăng, sơn men mỏng và thậm chí cả đồ uống có cồn như rượu whisky và rượu vodka duy trì các đặc tính nhất quán bất kể áp lực gây ra cho chúng.

Một số loại chất lỏng công nghiệp như dầu thủy lực và chất bôi trơn sản xuất cũng thuộc phân loại này do tính năng độ nhớt không đổi của chúng. Glycerin, một chất lỏng giống như xi-rô ngọt thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm, cũng thuộc loại tương tự.

Trong môi trường học thuật, các nhà nghiên cứu sử dụng các khí trơ như helium và argon trong các thí nghiệm do tính nhất quán của chúng dưới các áp suất khác nhau khiến chúng trở thành một phần quan trọng của chất lỏng Newton.

Việc hiểu các ví dụ này cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về những gì cấu thành chất lỏng Newton và giúp phân biệt nó với các đối tác phi Newton trong trải nghiệm hàng ngày của chúng ta.

Các ứng dụng của chất lỏng Newton trong công nghiệp và cuộc sống hàng ngày

Chất lỏng Newton đóng một vai trò không thể thiếu trong vô số quy trình công nghiệp và hoạt động hàng ngày.

Ví dụ, trong ngành công nghiệp dầu mỏ, việc khai thác và tinh chế dầu phụ thuộc rất nhiều vào các tính chất Newton của một số chất lỏng. Dầu thô, bản thân nó là một chất lỏng Newton, có thể dự đoán được dòng chảy dưới áp lực trong các đường ống tạo điều kiện cho việc vận chuyển được tính toán và hiệu quả. Tương tự như vậy, nước được sử dụng để bẻ gãy thủy lực hoặc ‘đứt gãy’ thể hiện hành vi Newton để tạo ra kết quả nhất quán khi xem xét thay đổi áp suất.

Ngoài ra, các ngành công nghiệp khác như thực phẩm và đồ uống tận dụng các đặc tính có lợi của chất lỏng Newton. Ví dụ, việc sản xuất đồ uống như nước ép trái cây và đồ uống có cồn liên quan đến việc lọc qua nhiều giai đoạn trong đó độ nhớt không đổi của chất lỏng này đảm bảo tốc độ dòng chảy ổn định góp phần kiểm soát quy trình.

Hơn nữa, trong cuộc sống hàng ngày, chất lỏng Newton cũng phổ biến. Chúng chiếm ưu thế trong các sản phẩm thường được sử dụng như sơn gốc nước thể hiện hành vi lan rộng thường xuyên do độ nhớt nhất quán bất kể tốc độ nét cọ. Dầu bôi trơn động cơ xe cộ – không thể thiếu để giữ cho động cơ mát mẻ và vận hành trơn tru – cũng thể hiện các đặc tính của chất lỏng Newton có lợi cho quá trình truyền nhiệt.

Lĩnh vực y tế cũng thường xuyên khai thác vật lý chất lỏng Newton: chất lỏng tiêm tĩnh mạch (IV) thường thể hiện các đặc tính như vậy cho phép quản lý ở tốc độ được kiểm soát. Hơn nữa, nhiều mẫu sinh học như huyết tương được sử dụng trong xét nghiệm chẩn đoán thuộc danh mục này tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý có thể dự đoán được.

Chất lỏng phi Newton là gì?

Các chất lỏng phi Newton thể hiện một hành vi thú vị và phức tạp hơn so với các chất lỏng Newton của chúng. Không giống như loại thứ hai duy trì độ nhớt không đổi, không phụ thuộc vào bất kỳ ứng suất cắt nào được áp dụng, độ nhớt của chất lỏng phi Newton thay đổi theo sự thay đổi của tốc độ cắt hoặc ứng suất.

Các chất lỏng phi Newton bất chấp nguyên lý của Newton về sự tỷ lệ thuận giữa ứng suất tác dụng và tốc độ biến dạng. Thay vào đó, các loại chất lỏng đặc biệt này có thể trở nên mỏng hơn hoặc dày hơn dưới một lực nhất định, làm thay đổi đặc tính dòng chảy của chúng tùy thuộc vào cường độ và thời gian tác động. Một đặc điểm hấp dẫn về chất lỏng phi Newton thực sự khiến chúng khác biệt là khả năng thể hiện những thay đổi hành vi mạnh mẽ dưới các lực cơ học khác nhau—một thuộc tính đã được chứng minh là có ý nghĩa trong các ứng dụng khoa học và công nghiệp khác nhau.

Xem thêm : Thời Gian Lưu Trữ Chứng Từ Kế Toán

Hành vi phi Newton có thể xảy ra theo nhiều cách. Trong một số trường hợp, hành vi phi tuyến tính đối với việc tăng tỷ lệ cắt hoặc ứng suất được thể hiện trong khi những trường hợp khác thể hiện khả năng ‘ghi nhớ’ quá trình xử lý cơ học trước đó—cho thấy sự phục hồi cấu trúc theo thời gian sau mỗi quá trình biến dạng. Những hành vi này ảnh hưởng sâu sắc đến các đặc tính lưu biến của chất lỏng dẫn đến vô số ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Các loại chất lỏng phi Newton: Cắt mỏng, Cắt dày, Thixotropic, Rheopectic, Nhựa Bingham

Có một số loại chất lỏng phi Newton thể hiện các hành vi độc đáo trong các điều kiện khác nhau.

Thứ nhất, có các chất lỏng hoặc giả dẻo “làm loãng lực cắt” làm giảm độ nhớt của chúng khi tốc độ trượt tăng lên. Nói cách khác, các loại chất lỏng này trở nên kém bền hơn và chảy dễ dàng hơn dưới áp suất hoặc lực cao. Các ví dụ phổ biến bao gồm sốt cà chua và kem tươi.

Thứ hai, chúng ta có chất lỏng “dày như cắt” trong đó độ nhớt của chúng tăng lên với tốc độ cắt cao hơn – những chất lỏng này trở nên đặc hơn hoặc nhớt hơn khi chịu ứng suất. Hiện tượng này có thể được quan sát thấy trong một số hỗn hợp tinh bột-nước và huyền phù có chứa các hạt mịn.

Các chất thixotropic tạo thành loại chất lỏng phi Newton thứ ba; chúng thể hiện sự giảm độ nhớt theo thời gian với tốc độ cắt không đổi. Điều đó có nghĩa là chúng cần một thời gian để mỏng đi khi ứng suất được áp dụng và mất thời gian tương tự để đạt được độ dày bình thường sau khi loại bỏ ứng suất. Sơn và gel thường thể hiện loại hành vi này.

Thứ tư là chất lỏng lưu biến – trái ngược với thixotropics khi chúng tăng độ nhớt theo thời gian với tốc độ cắt không đổi. Chúng cần nhiều nỗ lực hơn để biến dạng nếu lực tiếp tục trong một thời gian dài. Theo thời gian, dù bạn lắc mạnh đến đâu thì việc lắc sẽ không dễ dàng hơn mà thay vào đó là khó khăn hơn- không có nhiều trường hợp bên ngoài các ứng dụng công nghiệp cụ thể.

Cuối cùng, có những loại nhựa Bingham như kem đánh răng hoặc sốt mayonnaise hoạt động như chất rắn cho đến khi áp dụng một mức ứng suất cắt nhất định – ngưỡng ban đầu này trước khi nó bắt đầu chảy được gọi là giá trị chảy dẻo. Khi đạt đến điểm chảy dẻo, nó sẽ chuyển động giống như chất lỏng Newton duy trì trạng thái ổn định xuyên suốt.

Ví dụ về chất lỏng phi Newton

Một ví dụ điển hình và phổ biến mà nhiều người trong chúng ta có thể quen thuộc là nước sốt cà chua – một hiện thân của chất lỏng làm loãng. Loại này hoạt động trái ngược với những gì chúng ta thường mong đợi: chúng trở nên ít nhớt hơn khi có lực tác dụng, điều này giải thích trải nghiệm phổ biến là cần đập mạnh vào chai nước sốt cà chua để làm cho chất bên trong chảy ra.

Thêm tinh bột vào nước sẽ tạo ra một hỗn hợp phi Newton kỳ quặc khác thường được gọi là “Oobleck”. Oobleck thể hiện các đặc tính của cả pha loãng cắt (chất lỏng khi được khuấy nhẹ) và cắt đặc (chất rắn dưới tác dụng của lực đột ngột), do đó làm cho nó trở thành một chất lỏng phi Newton đa diện thú vị.

Chất như kem đánh răng thuộc danh mục chất dẻo Bingham cần một mức độ căng thẳng nhất định trước khi chúng bắt đầu chảy. Tương tự, các chất Thixotropic như sơn trở nên ít nhớt hơn theo thời gian khi bị xáo trộn hoặc kích động.

Trong khi đó, các vật liệu Rheopectic rất hiếm làm tăng độ nhớt của chúng theo thời gian dưới sức căng cắt kéo dài; mực máy in và một số loại đất sét cung cấp các ví dụ ở đây.

Ứng dụng của chất lỏng phi Newton trong công nghiệp và đời sống

Chất lỏng phi Newton có rất nhiều ứng dụng không chỉ trong các ngành công nghiệp khác nhau mà còn trong cuộc sống hàng ngày. Các ngành hoạt động với các hệ thống chất lỏng phức tạp, bao gồm thực phẩm, chăm sóc cá nhân, dược phẩm và ô tô, thường sử dụng chất lỏng phi Newton để nâng cao chất lượng sản phẩm hoặc tối ưu hóa quy trình của họ.

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, các chất lỏng phi Newton như nước sốt cà chua hoặc sốt mayonnaise đóng một vai trò thiết yếu. Đặc tính cắt mỏng của chúng giúp tối ưu hóa quy trình phân phối. Lực cắt ban đầu được áp dụng khi bóp chai làm cho dòng chảy dễ dàng hơn (độ nhớt thấp hơn). Khi chúng ta ngừng ép (giảm ứng suất tác dụng), các chất lỏng này sẽ nhanh chóng lấy lại độ nhớt cao, ngăn ngừa hiện tượng nhỏ giọt không mong muốn.

Ngành mỹ phẩm và chăm sóc cá nhân áp dụng các loại kem và gel làm mỏng da được đóng gói bằng các hạt hoặc polyme để đảm bảo chúng ổn định trong quá trình bảo quản nhưng dễ lan rộng khi thoa lên da hoặc tóc. Tương tự như vậy, kem đánh răng thể hiện một hành vi phi Newton mong muốn – nó dễ dàng chảy ra khỏi ống dưới áp suất, nhưng giữ nguyên hình dạng của nó trên bàn chải đánh răng.

Các ngành công nghiệp dược phẩm xử lý nhiều chất lỏng phi Newton để tạo ra thuốc cũng như để phát triển các phương pháp phân phối thuốc bằng cách sử dụng hydrogel có thể điều chỉnh độ đặc của chúng trong các điều kiện khác nhau.

Trong lĩnh vực ô tô, các vật liệu như sơn chống rung được sử dụng để giảm tiếng ồn. Loại sơn này cứng lại (tăng độ nhớt) khi va chạm do đó làm giảm rung động và âm thanh phát ra.

Xem thêm : Vị trí, tầm quan trọng của Biển Đông đối các nước trong khu vực

Các trường hợp đáng chú ý khác là trong kỹ thuật giao thông nơi các gờ giảm tốc được tạo ra từ chất lỏng phi Newton cứng lại khi va chạm ở tốc độ nhanh, cung cấp khả năng ngăn chặn vật lý đối với các phương tiện chạy quá tốc độ trong khi lại nhẹ đối với các phương tiện di chuyển chậm.

Ngay cả những đồ chơi như Silly Putty có thể kéo dài từ từ như cao su nhưng sẽ gãy nếu bị kéo ra nhanh chóng mang đến những ứng dụng thú vị về các tính chất phi Newton!

Sự khác biệt chính giữa chất lỏng Newton và phi Newton

So sánh các hành vi dưới ứng suất cắt

Chất lỏng Newton thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt của chúng, về cơ bản có nghĩa là độ nhớt hoặc ‘độ dày’ của chúng không đổi bất kể ngoại lực tác dụng.

Ngược lại, độ nhớt của chất lỏng phi Newton không cố định – thay vào đó, nó dao động để đáp ứng với tốc độ cắt thay đổi hoặc ứng suất tác dụng. Những chất lỏng này thể hiện các hành vi dòng chảy phức tạp đi chệch khỏi định luật Newton. Ví dụ, một số có thể trở nên mỏng hơn (shear-thinning) hoặc dày hơn (shear-dickening) khi tốc độ cắt tăng lên. Ngoài ra còn có những chất lỏng phi Newton thể hiện hành vi phụ thuộc vào thời gian dưới ứng suất cắt liên tục – chúng bao gồm chất lỏng thixotropic dần dần trở nên ít nhớt hơn theo thời gian khi lắc hoặc khuấy đều đặn, chất lỏng lưu biến hoạt động ngược lại bằng cách trở nên nhớt hơn theo thời gian khi bị khuấy đều và Chất dẻo Bingham hoạt động như một chất rắn cho đến khi vượt qua một ngưỡng ứng suất nhất định.

Sự thay đổi về độ nhớt

Độ nhớt là một tính chất quan trọng của chất lỏng, về cơ bản chịu trách nhiệm về ‘độ dày’ hoặc khả năng chống chảy của chúng.

Trong chất lỏng Newton, độ nhớt không đổi bất kể ứng suất tác dụng lên chúng. Điều này có nghĩa là cho dù bạn khuấy chậm hay nhanh một chất lỏng Newton, khả năng chống chảy của nó vẫn không thay đổi. Độ nhớt chỉ bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ; nhiệt độ thấp hơn làm tăng độ nhớt của chất lỏng khiến nó đặc hơn trong khi nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt, khiến chất lỏng loãng hơn. Các chất lỏng phổ biến như nước và dầu là những ví dụ về chất lỏng Newton thể hiện đặc điểm độ nhớt không đổi này.

Mặt khác, chất lỏng phi Newton thể hiện sự thay đổi độ nhớt của chúng khi chịu ứng suất cắt hoặc tốc độ biến dạng. Không giống như các đối tác Newton của chúng, độ nhớt của các chất lỏng này không phải là hằng số và thay đổi theo lực tác dụng hoặc tốc độ biến dạng—sự thay đổi này có thể là tăng (làm dày lên) hoặc giảm (làm mỏng đi) tùy thuộc vào loại Không -Chất lỏng Newton.

Ví dụ: lấy một thứ gì đó như nước sốt cà chua—một ví dụ nổi tiếng về chất lỏng phi Newton—nó có khả năng chống chảy ban đầu cao (độ nhớt biểu kiến cao), nhưng một khi bạn tác dụng một lực nào đó (bằng cách gõ hoặc bóp), nó sẽ loãng ra và chảy tự do (giảm độ nhớt biểu kiến).

Sự khác biệt về đặc điểm dòng chảy

Trong khi cả chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton đều thể hiện các tính chất dòng chảy độc đáo, sự khác biệt rõ rệt về cơ bản nằm ở phản ứng riêng lẻ của chúng đối với các lực tác dụng. Về mặt động lực học chất lỏng, những hành vi đặc biệt này ảnh hưởng đáng kể đến các phương pháp phân phối và cơ chế xử lý được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất công nghiệp đến sử dụng hàng ngày.

Đặc tính dòng chảy của chất lỏng về cơ bản được xác định bởi phản ứng của nó đối với ứng suất cắt hoặc tốc độ biến dạng. Chất lỏng Newton giữ cho độ nhớt của nó nhất quán bất kể tốc độ cắt áp đặt, thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất cắt và gradien vận tốc (tốc độ mà chất lỏng biến dạng). Các ví dụ bao gồm nước, không khí và dầu khoáng hiển thị dòng chảy ổn định với quỹ đạo có thể dự đoán được, do đó đơn giản hóa các tính toán liên quan đến vận chuyển khối lượng và nhiệt trong một số tình huống kỹ thuật.

Ngược lại, chất lỏng phi Newton thể hiện các phản ứng phức tạp hơn khi có ngoại lực tác dụng. Độ nhớt của chúng dao động dựa trên sự thay đổi của tốc độ cắt làm cho đặc tính dòng chảy của chúng cực kỳ phi tuyến tính. Ví dụ, trong chất lỏng loãng hoặc giả dẻo như nước sốt cà chua hoặc mật ong, độ nhớt giảm khi điều kiện cắt tăng. Mặt khác, chất lỏng dày lên hoặc giãn nở như oobleck (bột bắp trong nước) dày lên dưới tốc độ cắt cao. Các loại đặc biệt như Thixotropic (sơn) trở nên ít nhớt hơn theo thời gian dưới sự cắt liên tục trong khi Rheopectic (một số huyền phù đất sét) hoạt động ngược lại.

Còn có một loại khác được gọi là chất dẻo Bingham—chất lỏng như kem đánh răng hoặc sốt mayonnaise—hoạt động giống như chất rắn cho đến khi vượt quá một ngưỡng ứng suất cắt nhất định; ngoài đó chúng chảy tương tự như chất lỏng.

Tóm lại là

Tóm lại, chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton tạo nên bản chất của thế giới chúng ta, với mỗi chất lỏng nắm giữ những đặc tính độc nhất quyết định hành vi của chúng dưới những biến thiên của ứng suất. Cái trước, bao gồm nước và không khí, thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và tốc độ biến dạng, duy trì độ nhớt không đổi bất kể cường độ lực tác dụng. Ngược lại, loại thứ hai – bao gồm các chất như sốt cà chua hoặc máu – thách thức mô hình thông thường này bằng cách thay đổi độ nhớt của chúng dựa trên nỗ lực cưỡng bức. Những sự phân đôi này cung cấp những hiểu biết phong phú về bản chất nhiều mặt của động lực học chất lỏng.

Hiểu những hành vi phức tạp này đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp từ chăm sóc sức khỏe đến sản xuất, khiến các chuyên gia trong các ngành này bắt buộc phải hiểu những nguyên tắc này. Do đó, nếu bạn muốn tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực hấp dẫn của chất lỏng Newton và phi Newton hoặc cần hướng dẫn về cách áp dụng hiểu biết đó để có thể tối ưu hóa hiệu quả và chức năng của doanh nghiệp bạn—chúng tôi sẵn sàng trợ giúp.

Chúng tôi muốn khuyến khích bạn khám phá thêm trang web của chúng tôi hoặc tham gia vào một cuộc trò chuyện trực tiếp với chúng tôi. Tại công ty tư vấn của chúng tôi, chúng tôi được trang bị các chuyên gia dày dạn kinh nghiệm, những người có kiến thức sâu rộng và kinh nghiệm thực tế về động lực học chất lỏng có thể chứng minh mạnh mẽ cho nhu cầu của bạn. Hành trình hấp dẫn thông qua các hành vi linh hoạt này chỉ mới làm trầy xước bề mặt của những gì có sẵn trong lĩnh vực tinh vi này

Nguồn: https://luatduonggia.edu.vn
Danh mục: Tổng hợp