AKMAYAN SIVI OLUR MU?
Newtonyen Olmayan Sıvı ve Pratik Eldesi
Hayatımızın her noktasında bulunan akışkanlar
Akıcı olmasını istediğim ilk yazı konum reoloji (fiziksel mekaniğin, yoğunlaşmış maddenin akışını inceleyen bilim dalı) bilimi, biraz fizik, biraz kimya ve çokça hayatı içeren bir yazı! Soluduğumuz hava, içtiğimiz su; yani sıvılar ve gazlar hepsi birer akışkandır. Reoloji bilimi ana konusu akışkanlar; Newtonyen (Newtonian) ve Newtonyen olmayan (non-Newtonian) akışkanları incelemektedir. Bu yazı sonunda biz de bir Newtonyen olmayan sıvı elde edeceğiz. Ama önce bu sıvının özelliklerini biraz tanıyalım.
Viskozite [1,2]; akmaya direnç gösteren moleküler çekimin sebep olduğu bir akışkanın (içsel) iç sürtünmesidir. Bu tanımdan sonra bütün akışkanların moleküler arası etkileşmeler (itme ve çekme kuvvetleri, sürtünmeler) yüzünden viskoziteye sahip olduğu açıklanabilmektedir. Yani viskozite akışkanların akmasını durdurmak isteyen bir engelleyicidir de diyebiliriz.
Peki, bu viskozite herhangi bir etken ile değişir mi? Sıvılarda sıcaklığın arttırılmasıyla viskozite azaltılabilmektedir. Fakat bu azalma hızı da giderek düşmektedir. Bunun açıklamasını da şu şekilde yapabiliriz. Sıvı molekülleri arasında gaz moleküllerine göre daha az, katı moleküllerine göre de daha fazla boşluk bulunmaktadır. Akmakta olan sıvı bu boşluklara doğru hareket etmekte ve bunun için de aktivasyon enerjisine ihtiyaç duymaktadır. Sıcaklık da gerekli olan bu aktivasyon enerjisini sağlamakta ve sıvının akışkanlığını artırmakta, viskozitesini azaltmaktadır. Viskozitenin sıcaklıkla değişimi aşağıdaki bağıntı ile verilmektedir.
η = A.eB/RT
B:Akışa ait aktivasyon enerjisi, A:Akışkan ile ilgili sabit, T:Mutlak sıcaklık
Artan basınçla sıvıların viskozitesi artar. Çünkü sıvı molekülleri arasındaki boşluk azalacak, moleküller hareket edecek nokta bulamayacak duruma gelecektir.
Viskozite ile ilgili bu tanımlardan sonra, Newton’un viskozite kanununa değinerek Newtonyen ve Newtonyen olmayan sıvılar hakkında gerekli açıklamaları yapalım:
γyz =F/A = -η dVx /dy (Newton’un Viskozite Kanunu)
γyz: y eksenine dik düzlem üzerinde x yönündeki teğetsel gerilim
(x momentumunun y yönündeki akısı ) (kayma gerilimi)
η= Orantı katsayısı, (mutlak, dinamik) viskozite
dVx/dy: Hız gradienti
Bu kanuna uyan akışkanlara Newtonyen (Newtonian) akışkanlar, uymayanlara ise Newtonyen olmayan (non-Newtonian) akışkanlar denilmiştir.
Kayma Gerilimi, D/cm2
Kayma Hızı, s-1
Şekil-1: Kayma Hızı Kayma Gerilimi diyagramı [2]
Burada akışkanın silindirik bir yüzeyden aktığını farz edersek; kayma gerilimi “τ” ile ifade edilen sürtünme basıncı, yani (F/A) sürtünme kuvvetinin, silindir yüzeyine olan oranıdır. Kayma hızı ise vizkozite formülünde de bulunan “hız gradienti” diye ifade ettiğimiz du/dz (Molekülün hızının akmakta olduğu kap veya ortama olan uzaklığıyla değişimi) şeklindedir.
Newtonyen akışkanların viskoziteleri sabit olup zaman içinde değişmemektedir. Örneğin suyu istediğiniz kadar ve istediğiniz hızda karıştırın viskozitesinde bir değişiklik olmaz. Şekil-1’de Newtonyen sıvının doğru şeklinde olduğunu görmekteyiz. Viskozite burada sabittir.
Newtonyen olmayan akışkanların davranışları ise sabit olmamakla birlikte viskozite alma veya viskozite kaybetme şeklinde değişmektedir. (bkz: Şekil-1’de pseudoplastik, plastik ve dialant eğrileri) Örneğin boyalar, ketçap, kalın ve uzun zincirli hidrokarbonlar ve deneyimizde yapacağımız sıvı Newtonyen olmayan davranış göstermektedir.
Viskozitenin birimlerini de açıklamakta fayda görmekteyim.
- SI birim sisteminde : kg /m.s veya N.s/ m2 = Pa.s
- CGS birim sisteminde : g/cm.s
- İngiliz birim sisteminde : lb/ft.s veya lb / ft.st
Vizkozite için Poise birimi önerilmiş ve bu birim “p” şeklinde kısaltılmıştır.
1 p = 100 cp (santi poise)
Sonuç olarak reoloji bilimi gıda mühendisliğinde, katı sıvı karışımların ayrılmasında, çimento, boya, inşaat, gübre, petrokimya, kozmetik, ilaç gibi birçok alanda maddenin davranışlarını inceleyen önemli bir bilim dalıdır. Proses tasarımı için maddenin reolojik davranışlarının bilinmesi gerekmektedir. Bu başlıkta reoloji bilimi ve akışkanların viskozitesi ile ilgili bilgi verilmeye çalışılmıştır. Umarım birazdan yapacağımız eğlenceli sıvıyı biraz da olsa tanımışsınızdır.
Non–Newtonyen sıvı nasıl yapılır?
Uygulayacağımız bu deneyde mısır nişastası ve su ile Newtonyen olmayan sıvı yapılacaktır. Maddemiz üzerine basınç uygulandığında katı gibi davranacak, üzerindeki basınç kaldırıldığında ise sıvı gibi davranacaktır. Bu sıvının viskozitesinin iyi bir tanımı olmadığı anlamına gelmemektedir. Çünkü matematiksel olarak bu sıvının viskozitesini tanımlayabiliyoruz. Bu sıvının viskozitesi, akma hızının fonksiyonu şeklinde tanımlanmıştır. Şöyle ki; akmayı artırdığınızda sıvı daha fazla viskoz davranış göstermektedir.
Deney için gerekli malzemeler (bkz: Şekil-2):
Şekil-2: Deney için gerekli malzemeler |
- Mısır nişastası
- Su
- Kap (içinde malzemelerin karıştırılacağı)
- Karıştırıcı (Kaşık vb.)
- Buz
- Dondurucu
- Mikrodalga
Karıştıralım!
Büyük bir kase içine su koyunuz. Daha sonra mısır nişastası ekleyiniz. Ne kadar fazla yapmak istiyorsanız, o kadar çok mısır nişastasına ihtiyacınız olacak. İsterseniz bir havuz bile doldurup üstünde yürüyebilirsiniz. Karıştırırken zorlanacak kadar mısır nişastası eklemeye devam ediniz. Karıştırdığınız sıvı bir yumuşaklığa sahip olacaktır (bkz: Şekil-3). Bu yumuşaklığın farkını karıştırırken göreceksiniz.
Şekil-3: Nişastayı ekleme ve karıştırma işlemi
Yaptık Galiba?
Karışımı kendi başına bir süreliğine bırakırsanız, kendi kendine 2 faza ayrıldığını fark edecek ve katı fazın kabın dibinde toplandığını göreceksiniz. Bu karışımı basitçe Newtonyen olmayan sıvı kıvamını kazanıncaya kadar tekrar karıştırın (bkz: Şekil-4). Karıştırma işlemiyle homojen bir sıvı elde edeceğiz.
Şekil-4: Newtonyen olmayan sıvı elde edinceye kadar karıştırın
Şimdi hazırladığımız karışıma dokunduğunuzda karışımın katıdan sıvaya veya tam tersine dönüştüğünü hissedeceksiniz. Öyle bir hale gelecek ki karıştırırken sıvı katı özellikler gösterecek. Parmağınızı bu karışıma çekinmeden daldırın ne demek istediğimi daha iyi anlayacaksınız.
Biraz daha mısır nişastası ekleyin. Bu sıvının katılaşmasına ve reaksiyonları daha iyi hissetmenize yardımcı olacaktır.
Şimdi hazırladığımız karışımın, sıcak ve soğuk karşısındaki davranışlarını gözlemlemek için sizlere hazırlanmış iki tane deney hakkında bilgi vermek istiyorum.
DENEYLER
Deney 1: Isıtma
Mikrodalga fırına yaklaşık 45 dakikalığına kabımızı koyalım. Derecesine yarıya getirelim. Oval sarı merkezli ve dışı beyaz bir yüzük gibi olan bir numune elde edeceğiz. İçteki sarı kısım jelimsi, elastik, esnek bir kıvam ve dıştaki yüzük gibi olan beyaz madde ise lastik kıvamında gibi olacak (bkz: Şekil-5).
Şekil-5: Newtonyen olmayan sıvıyı ısıtma deneyi
Deney 2: Soğutma
Bu deneyde bir kap Newtonyen olmayan sıvıyı dondurucuya koyarak sıvıdaki etkilerini görmek istedik. Kısa bir beklemeden sonra sıvı yüzeyinde tıpkı sütte oluşan bir kaymak gibi ince gerilmiş bir tabaka oluştu (bkz: Şekil-6).
Şekil-6: Newtonyen olmayan sıvıyı soğutma deneyi
Daha farklı deneyler de bu sıvı üzerine yapılabilir. Denediğiniz ve ilginç bulduğunuz deneyleri iletişim adresinden bana ulaşarak bildirirseniz bir sonraki sayıda bu konuya da yer ayırabiliriz.
Bu sıvılara ilginin gayet fazla olduğunu söyleyebiliriz. İşte youtube.com adresinde bulunan videolardan birkaçı;
KAYNAKLAR
[1], [2] Katı Karışımların Reolojik Davranışlarının İncelenmesi, Ebru KOÇAK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi
Resim kaynağı:
– http://farm2.static.flickr.com/1056/1281161693_545c9b6adf_o.jpg
– http://sozluk.sourtimes.org/show.asp?t=newton+sivisi
Deney için kaynak ve fotoğraflar:
– http://www.instructables.com/id/How-To:-Make-Non-Newtonyen-Fluid-&-Experiment-wit/