Viscosità
La spiegazione cinetica della viscosità può essere semplificata esaminandola in termini qualitativi. La viscosità è causata dal trasferimento di quantità di moto tra due piani che scorrono paralleli l’uno all’altro ma a velocità diverse, e questo momento viene trasferito da molecole che si muovono tra i piani. Le molecole dal piano più veloce si spostano verso il piano più lento e tendono ad accelerarlo, mentre le molecole dal piano più lento viaggiano verso il piano più veloce e tendono a rallentarlo. Questo è il meccanismo con cui un piano sperimenta la resistenza dell’altro., Una semplice analogia è che due treni di posta si passano l’un l’altro, con i lavoratori che lanciano sacchetti di posta tra i treni. Ogni volta che un sacchetto postale dal treno veloce atterra su quello lento, impartisce il suo slancio al treno lento, accelerandolo un po’; allo stesso modo ogni sacchetto postale dal treno lento che atterra su quello veloce lo rallenta un po’.
Se i treni sono troppo distanti, i sacchetti postali non possono essere passati tra di loro. Allo stesso modo, i piani di un gas devono essere solo su un percorso libero medio a parte in modo che le molecole passino tra di loro senza essere deviate da collisioni., Se si utilizza questo approccio, un semplice calcolo può essere effettuato, in quanto in caso di pressione del gas, con il risultato che il
dove a è una costante numerica di fine unità, il termine (N/V)vl è una misura del numero di molecole contenute in un piccolo conteggio cilindro, e la massa m è una misura della quantità di moto effettuate tra il piano aerei., L’area della sezione trasversale del cilindro di conteggio e la velocità relativa dei piani di scorrimento non appaiono nell’equazione perché si annullano a vicenda quando la forza di trascinamento è divisa per l’area e la velocità dei piani per trovare η.
Ora si può vedere perché η è indipendente dalla densità o dalla pressione del gas. Il termine (N/V) nell’equazione (23) è il numero di portatori di quantità di moto, ma l misura il numero di collisioni che interferiscono con questi portatori ed è inversamente proporzionale a (N/V). I due effetti si annullano esattamente a vicenda., La viscosità aumenta con la temperatura perché la velocità media v lo fa; cioè, la quantità di moto viene trasportata più rapidamente quando le molecole si muovono più velocemente. Sebbene v aumenti come T1 / 2, η aumenta un po ‘ più velocemente perché il percorso libero medio aumenta anche con la temperatura, poiché è più difficile deviare una molecola veloce rispetto a una lenta. Questa caratteristica dipende esplicitamente dalle forze tra le molecole ed è difficile da calcolare con precisione, così come il valore della costante a, che risulta essere vicino a 1/2.,
Il comportamento della viscosità di una miscela può anche essere spiegato con il calcolo precedente. In una miscela di un gas leggero e un gas pesante viscoso, entrambi i tipi di molecole hanno la stessa energia media; tuttavia, la maggior parte della quantità di moto è trasportata dalle molecole pesanti, che sono quindi i principali contributori alla viscosità. Le molecole di luce sono piuttosto inefficaci nel deviare le molecole pesanti, in modo che queste ultime continuino a trasportare praticamente lo stesso slancio che avrebbero in assenza di molecole di luce., L’aggiunta di un gas leggero a un gas pesante quindi non riduce sostanzialmente la viscosità e può infatti aumentarla a causa del piccolo slancio extra trasportato dalle molecole di luce. La viscosità alla fine diminuirà quando ci sono solo poche molecole pesanti che rimangono in un grande mare di molecole leggere.
La principale dipendenza di η dalla massa molecolare è attraverso il prodotto vm nell’equazione (23), che varia come m1/2 poiché v varia come 1/m1/2., A causa di questo effetto, i gas pesanti tendono ad essere più viscosi dei gas leggeri, ma questa tendenza è compensata in una certa misura dal comportamento di l, che tende ad essere più piccolo per le molecole pesanti perché di solito sono più grandi delle molecole leggere e quindi più probabilità di scontrarsi. La connessione spesso confusa tra viscosità e peso molecolare può quindi essere spiegata dall’equazione (23).,
Infine, in un gas a molecola libera non ci sono collisioni con altre molecole per impedire il trasporto della quantità di moto, e la viscosità aumenta quindi linearmente con la pressione o la densità fino a quando il numero di collisioni diventa abbastanza grande da far sì che la viscosità assuma il valore costante dato dall’equazione (23). Il comportamento non ideale del gas che accompagna ulteriori aumenti di densità alla fine porta ad un aumento della viscosità, e la viscosità di un gas estremamente denso diventa molto simile a quella di un liquido.
