液体のせん断薄化現象
さまざまな液体におけるせん断薄化の挙動と影響を調査中。
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せん断希釈は、アルカンを含む多くの液体で見られる挙動なんだ。これは、こういった液体がかき混ぜられたり、小さな隙間を通されたりすると、どんどん薄くなっていくってこと。科学者たちは、この概念に長年興味を持っていて、潤滑油や塗料など、いろんな用途において重要な役割を果たしてるんだ。
粘度の概要
粘度ってのは、液体がどれだけ厚いか、べたべたしてるかを表すんだ。粘度が高いと液体はゆっくり流れるし、低いともっと流れやすい。例えば、蜂蜜は水より粘度が高い。力やせん断を液体に加えると、しばしば粘度が変化するんだよ。せん断希釈は、力が加わると液体の粘度が下がるときに起こる。
歴史的背景
せん断希釈の科学は約100年前に遡るんだ。研究者たちが特定の懸濁液の粘度が加えられる力が増すと減少することに気づいたんだよ。最初は鉄酸化物を含むコロイド懸濁液に焦点が当てられていたけど、それ以来、さまざまな液体に拡大して、ニュートンの粘度の法則に従わない多くの非ニュートニアン流体がせん断希釈の挙動を示すことがわかったんだ。
いろんな液体のタイプ
液体は、ストレス下での粘度の挙動に基づいて分類されるんだ：
ニュートン流体: これらの液体は、せん断速度に関係なく一定の粘度を保つ。水がその一般的な例。
せん断希釈流体: せん断速度が増すと、粘度が下がる。ケチャップや塗料、エンジンオイルなんかの日常的な液体がこのカテゴリーに入る。
せん断増粘流体: 反対に、これらの液体はストレス下で厚くなる。特定のコーンスターチと水の混合物に見られるんだ。
ほとんどの液体は、温度や圧力などのさまざまな条件下での挙動に基づいて分類されるけど、これらは粘度に大きく影響を与えることがある。
温度と圧力の役割
温度と圧力は、液体の粘度に影響を与える2つの重要な要素なんだ。温度が上がると分子が早く動くようになって、互いに滑りやすくなるから、通常は粘度が下がる。一方、圧力が増すと、分子の動きが難しくなって、粘度が上がることが多い。
面白いことに、粘度、温度、圧力の関係は複雑になることもあるんだ。例えば、圧力が高くなりすぎると、液体の粘度は単純な法則から外れ、他の変数にも依存するようになることがある。
プランドルモデル
せん断希釈の研究では、プランドルモデルが粒子がストレス下でどう振る舞うかを理解するためのシンプルな枠組みとして使われているんだ。このモデルは、質量がでこぼこした面の上を引きずられるという形で、液体のせん断に対する反応を表してる。これによって、研究者たちは粘度が変わる条件に基づいて予測できるようになるんだ。
実験からの観察結果
最近のコンピュータシミュレーションを使った実験で、研究者たちはアルカン、特にヘキサデカンを詳しく調べることができたんだ。さまざまな圧力と温度にさらしたとき、ヘキサデカンの挙動がプランドルモデルの説明と一致することが観察されたよ。
重要な発見
温度依存性: ヘキサデカンの粘度は温度が上がると減少することがわかって、温かい条件だと流れやすくなるってことが確認された。
圧力の影響: 圧力が上がると粘度も増加したけど、非常に高い圧力のときには粘度が減少することもあった。これは、圧力と粘度についての通常の期待が特定の条件下で変わることを示してる。
鎖長の影響: アルカンの分子サイズの変化も粘度に影響を与えたけど、長さが異なっても基本的な挙動は比較的一貫していて、せん断希釈を引き起こす基本的なメカニズムが存在することを強調してる。
モデルの重要性
液体がストレス下でどう振る舞うかを予測するためのさまざまなモデルが存在するんだ。一部のモデルは、粘度の変化に関する特定の側面を捉えてるけど、プランドルモデルは特に高圧下のアルカンにおけるせん断希釈現象の簡潔な説明を提供するんだ。
実用的な応用
せん断希釈を理解することは、いくつかの実用的な応用において重要なんだ。例えば：
潤滑油: さまざまな油が温度や圧力下でどう振る舞うかを評価することで、エンジン用のより良い潤滑油を作る手助けになる。
食品産業: ソースや他の液体がどのように粘度を変えるかを知識にすることで、加工を改善して、製品の一貫性を確保できる。
コーティングや塗料: せん断希釈の挙動が塗料業界では重要で、適切な粘度が塗布中の適切な流れを保証するんだ。
結論
せん断希釈は、アルカンに広く見られる挙動で、さまざまな産業に現実的な意味を持ってる。温度、圧力、分子構造の相互作用がこれらの液体がどう流れるかを形作っているから、既存の製品を改善したり新しい製品を開発するために理解することが重要なんだ。プランドルモデルはこの挙動を予測するための有用なツールで、流体力学の複雑さと魅力的な性質を示しているんだよ。
タイトル: On the shear-thinning of alkanes
概要: The approximate power-law dependence of the apparent viscosity of liquids on shear rate is often argued to arise from a distribution of energy barriers. However, recent work on the Prandtl model, which consists of a point mass being dragged by a damped, harmonic spring past a sinusoidal potential, revealed a similar dependence of the friction on velocity as that of many liquids. Here, we demonstrate that this correlation is not only qualitative but can also be made quantitative over a broad temperature range using merely three dimensionless parameters, at least for alkanes, in particular hexadecane, at elevated pressure p. These and other observations made on our all-atom alkane simulations at elevated pressure point to the existence of an elementary instability causing shear thinning. In addition, the equilibrium viscosity shows power law dependence on p near the cavitation pressure but an exponential dependence at large p, while the additional parameter(s) in the Carreau-Yasuda equation compared to other rheological models turn out justifiable.
著者: Hongyu Gao, Martin H. Müser
最終更新: 2023-09-19 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2309.10627
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2309.10627
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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