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Dipendenza della viscosità dalla temperatura

1850

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Per un fluido newtoniano, viscosità è una funzione della temperatura e pressione ma non la velocità di taglio. Nei liquidi, la viscosità diminuisce significativamente all'aumentare della temperatura perché una maggiore energia termica permette alle molecole di superare più facilmente le forze intermolecolari di coesione. Al contrario, nei gas, la viscosità aumenta con la temperatura poiché collisioni molecolari più frequenti a velocità più elevate portano a un maggiore trasferimento di quantità di moto.

La relazione tra viscosità e temperatura è fondamentalmente diversa per liquidi e gas, a causa dei loro distinti meccanismi molecolari di trasferimento di quantità di moto. Nei liquidi, le molecole sono strettamente impacchettate e tenute insieme da forti forze di coesione intermolecolari. Le forze viscose derivano dalla resistenza di queste molecole a scorrere l'una sull'altra. Con l'aumentare della temperatura, l'energia cinetica delle molecole aumenta, consentendo loro di superare più facilmente queste forze di coesione. Ciò si traduce in una diminuzione della resistenza del liquido al flusso e, quindi, in una minore viscosità. Questo effetto è pronunciato; ad esempio, la viscosità dell'acqua diminuisce di circa un fattore 6 tra 0 °C e 100 °C.

Nei gas, le molecole sono molto distanti e interagiscono principalmente attraverso collisioni. La viscosità di un gas è una misura del trasporto di quantità di moto tra strati che si muovono a velocità diverse. Questa quantità di moto viene trasferita dalle molecole che si muovono tra gli strati e si scontrano. All'aumentare della temperatura, la velocità termica casuale delle molecole del gas aumenta. Ciò porta a collisioni più frequenti e più energetiche, con conseguente trasferimento più efficace della quantità di moto tra gli strati e, di conseguenza, un aumento della viscosità. Questo comportamento fu uno dei primi trionfi della teoria cinetica dei gas, poiché si trattava di una previsione controintuitiva successivamente confermata dagli esperimenti.

Deposizione chimica da vapore (CVD), Impatto ambientale, Meccanica dei fluidi, Energia geotermica, Ottimizzazione dei processi, Reologia, Invecchiamento termico

UNESCO Nomenclature: 2212

- Termodinamica

Tipo

Proprietà fisica

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

Sviluppo del termometro
Il lavoro di Rudolf Clausius e James Clerk Maxwell sulla teoria cinetica dei gas
Studi sulle forze intermolecolari di Johannes Diderik van der Waals
Primi esperimenti sul flusso dei fluidi di Poiseuille e Hagen

Applicazioni

formulazione di olio motore (oli multigrado)
scambiatori di calore industriali
lavorazione e stampaggio del vetro
lavorazione degli alimenti (ad esempio, controllo del flusso di cioccolato o miele)
estrazione di energia geotermica

Brevetti:

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: viscosità, dipendenza dalla temperatura, liquidi, gas, teoria cinetica, forze intermolecolari, trasferimento di quantità di moto, proprietà dei fluidi.

Contesto storico

Installazione di un pannello solare che dimostra l'effetto fotovoltaico nella fisica dello stato solido.

The Photovoltaic Effect

The photovoltaic effect is the generation of voltage and electric current in a material upon exposure to light. It is a physical and chemical phenomenon. A common application is the solar cell, which uses this effect to convert sunlight directly into electricity. The effect is based on photons of light exciting electrons into a higher state of energy.

Laboratorio del XIX secolo con strumenti termodinamici ed equazioni di Mayer.

Relazione di Mayer (termodinamica)

La relazione di Mayer collega i calori specifici di un gas perfetto alla costante specifica del gas ([latex]R_s[/latex]). La relazione è [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Per i calori specifici molari ([latex]C_p[/latex] e [latex]C_v[/latex]), la relazione è [latex]C_p - C_v = R[/latex], dove [latex]R[/latex] è la costante universale dei gas. Questo dimostra che [latex]c_p[/latex] è sempre maggiore di [latex]c_v[/latex].

Conservazione dell'energia

Principio fondamentale secondo cui l'energia totale di un sistema isolato rimane costante nel tempo. L'energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all'altra, ad esempio da energia potenziale a energia cinetica. Nella meccanica classica, per i sistemi con sole forze conservative, si conserva l'energia meccanica totale [latex]E = T + V[/latex].

Dipendenza della viscosità dalla temperatura

Prima legge della termodinamica

La Prima Legge è una dichiarazione sulla conservazione dell'energia. Essa stabilisce che la variazione dell'energia interna di un sistema chiuso ([latex]\Delta U[/latex]) è uguale al calore fornito al sistema ([latex]Q[/latex]) meno il lavoro compiuto dal sistema sull'ambiente circostante ([latex]W[/latex]). L'equazione di governo è [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Questa legge collega calore, lavoro ed energia interna, stabilendo che il calore è una forma di trasferimento di energia.

Chimico che conduce esperimenti con catalizzatori in un laboratorio d'epoca, 1850.

Catalizzatore in equilibrio chimico

Un catalizzatore aumenta la velocità sia della reazione diretta che di quella inversa in egual misura, fornendo un percorso di reazione alternativo con un'energia di attivazione inferiore. Sebbene un catalizzatore consenta a un sistema di raggiungere l'equilibrio molto più rapidamente, non modifica la posizione dell'equilibrio stesso. Le concentrazioni di equilibrio di reagenti e prodotti, e il valore della costante di equilibrio K, rimangono invariati.

Chimico del XIX secolo che misura i volumi dei gas illustrando la legge dei gas ideali in termodinamica.

Legge dei gas ideali (forma molare)

La legge dei gas ideali è l'equazione di stato per un ipotetico gas ideale, che approssima il comportamento di molti gas in varie condizioni. La forma molare mette in relazione la pressione ([latex]P[/latex]), il volume ([latex]V[/latex]), la quantità di sostanza in moli ([latex]n[/latex]) e la temperatura assoluta ([latex]T[/latex]) attraverso la costante universale dei gas ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].

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Uno dei primi dispositivi a celle a combustibile realizzato da William Grove, che illustra i principi elettrochimici della chimica fisica.

Cella a combustibile

Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico che converte direttamente l'energia chimica di un combustibile, tipicamente idrogeno, e di un agente ossidante, spesso ossigeno, in elettricità. A differenza di una batteria, richiede un apporto esterno continuo di combustibile e ossidante per funzionare. I componenti principali sono un anodo, un catodo e un elettrolita che li separa, facilitando il trasporto degli ioni.

Dimostrazione del riscaldamento Joule in un laboratorio d'epoca con apparecchi elettrici.

Riscaldamento Joule ed energia elettrica

Il riscaldamento Joule, o riscaldamento ohmico, è il fenomeno per cui il calore viene prodotto da una corrente elettrica che attraversa un conduttore. La velocità di generazione del calore, o potenza dissipata ([latex]P[/latex]), è data dalla prima legge di Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinandola con la legge di Ohm, la potenza può essere espressa come [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Apparecchiatura di laboratorio per la misurazione dell'energia interna e dell'entalpia di un gas perfetto in termodinamica.

Energia interna ed entalpia di un gas perfetto

Per un gas perfetto, l'energia interna ([latex]U[/latex]) e l'entalpia ([latex]H[/latex]) sono funzioni della sola temperatura. Le loro variazioni sono date da [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] e [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], dove [latex]c_v[/latex] e [latex]c_p[/latex] sono i calori specifici a volume e pressione costanti, rispettivamente, e si assumono costanti.

Ricercatore che testa le proprietà viscoelastiche di un polimero sintetico in laboratorio.

Viscoelasticità

La viscoelasticità è la proprietà dei materiali che presentano caratteristiche sia viscose che elastiche quando sottoposti a deformazione. I materiali viscosi, come il miele, resistono al flusso di taglio e si deformano linearmente nel tempo quando viene applicato uno sforzo. I materiali elastici, come un elastico, si deformano quando vengono allungati e tornano rapidamente al loro stato originale una volta rimosso lo sforzo. I materiali viscoelastici presentano elementi di entrambe le caratteristiche.

Scienziato che misura la sublimazione in un laboratorio d'epoca, studio di termodinamica.

Enthalpy of Sublimation

L'entalpia di sublimazione, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], è il calore necessario per convertire una mole di una sostanza da solida a gassosa a una data temperatura e pressione. Secondo la legge di Hess, poiché l'entalpia è una funzione di stato, questa variazione di energia è la somma dell'entalpia di fusione ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) e dell'entalpia di vaporizzazione ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).