ความหนืดเป็นปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวัน ซึ่งสังเกตได้จากความแตกต่างระหว่างของเหลวที่เทช้าๆ เช่น น้ำผึ้ง และสารน้ำไหล เช่น น้ำ ทว่าการโต้ตอบของโมเลกุลที่ซับซ้อนซึ่งสร้างความหนืดทำให้การคำนวณในทางทฤษฎีเป็นเรื่องยากมาก ตอนนี้ นักฟิสิกส์สองคนในสหราชอาณาจักรและรัสเซียได้รับมือกับความท้าทายนี้และได้สูตรง่ายๆ ที่จำกัดความหนืดของวัสดุทั้งหมดให้ต่ำลง
พวกเขากล่าวว่าสูตรดังกล่าวสะท้อนถึงลักษณะทางกล
ควอนตัมของการโต้ตอบของโมเลกุลและเกี่ยวข้องกับค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐานสองค่า – ค่าคงที่ของพลังค์ ( ħ ) และอัตราส่วนมวลโปรตอนต่ออิเล็กตรอน ความหนืดทำหน้าที่เหมือนแรงเสียดทานภายในระหว่างชั้นที่อยู่ติดกันของของไหลเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น เมื่อน้ำไหลผ่านท่อ จะเกิดการเสียดสีระหว่างโมเลกุลที่ไหลเร็วกว่าที่อยู่ตรงกลางของท่อกับโมเลกุลที่เคลื่อนที่ช้าลงใกล้กับผนังท่อ การคำนวณความหนืดของวัสดุจากหลักการแรกต้องคำนึงถึงองค์ประกอบและโครงสร้างของโมเลกุลของสาร ตลอดจนอุณหภูมิและความดันของระบบ อันที่จริง ความหนืดแปรผันตามขนาด 19 ลำดับ ตั้งแต่ค่าก๊าซฮีเลียมที่ต่ำมากไปจนถึงค่าของเหลวที่สูงมากใกล้กับการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว
โดยไม่มีใครขัดขวางKostya Trachenkoจากมหาวิทยาลัย Queen Mary แห่งลอนดอนและVadim Brazhkinจากสถาบันฟิสิกส์ความดันสูงของ Russian Academy of Sciences ใกล้กรุงมอสโกได้ออกเดินทางเพื่อค้นหาสมการที่จะสร้างขอบเขตความหนืดที่ต่ำกว่าในของเหลวทั้งหมด งานของพวกเขาขึ้นอยู่กับความแปรผันของความหนืดกับสภาวะแวดล้อม – ความจริงที่ว่าของเหลวใด ๆ จะมีค่าต่ำสุดที่อุณหภูมิหนึ่งที่ความดันที่กำหนด
แลกเปลี่ยนโมเมนตัมสำหรับของเหลว
เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบจะสั่นมากขึ้นและทำให้ปฏิกิริยาที่เหนียวแน่นระหว่างพวกมันลดลง ส่งผลให้สูญเสียความหนืด แต่ในก๊าซสิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้น เนื่องจากชั้นต่างๆ จะแลกเปลี่ยนโมเมนตัมผ่านการชน อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดความหนืดมากขึ้น ดังนั้นความหนืดของของเหลวจะต่ำที่สุดในช่วงการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะคล้ายของเหลวและสถานะคล้ายก๊าซ
เพื่อหาค่าความหนืดต่ำสุดของของเหลว Trachenko และ Brazhkin ได้พิจารณาถึงสิ่งที่เกิดขึ้นกับแก๊สในขณะที่มันเย็นตัวลง พวกเขาให้เหตุผลว่าในระหว่างกระบวนการทำความเย็น เส้นทางที่ปราศจากค่าเฉลี่ยของโมเลกุลของแก๊สจะลดลงแต่ไม่ลดลงต่ำกว่าค่าต่ำสุดโดยประมาณเท่ากับระยะทางที่ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลมีนัยสำคัญ สมมติฐานดังกล่าวนำไปสู่สูตรสำหรับความหนืดต่ำสุดใน คุณสมบัติของโมเลกุลสามประการ – มวล ความถี่การสั่นสะเทือน (Debye) และระยะห่างระหว่างอนุภาค
นักวิจัยยืนยันการคำนวณของพวกเขาโดยได้สูตรเดียวกันหลังจากเริ่มต้นด้วยของเหลวและทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น พวกเขายังพบว่าการใส่ค่าที่เหมาะสมสำหรับตัวแปรทั้งสามนั้นทำให้สูตรของพวกเขาให้ความหนืดต่ำสุดสำหรับช่วงของของเหลวที่แตกต่างกันอย่างกว้างๆ โดยสอดคล้องกับผลการทดลอง ความหนืดเหล่านั้นอยู่ระหว่าง 10 -4 -10 -5 ปาสกาล-วินาที อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้สูตรที่เกี่ยวข้องกับค่าคงที่พื้นฐานเท่านั้น พวกเขาต้องดำเนินการอีกสองสามขั้นตอน
ขั้นแรก พวกเขาหานิพจน์สำหรับสิ่งที่เรียกว่า
“ความหนืดจลนศาสตร์” ซึ่งเป็นอัตราส่วนของความหนืดของของไหลต่อความหนาแน่น ทั้งคู่ตั้งค่าระยะห่างระหว่างอนุภาคให้เท่ากับรัศมีบอร์ (“รัศมี” ของอะตอมไฮโดรเจน) และกำหนดพลังงานที่เหนียวแน่นระหว่างโมเลกุลในของเหลวให้เป็นพลังงาน Rydberg (พลังงานที่จำเป็นในการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมไฮโดรเจน) สิ่งนี้ทำให้พวกเขาแสดงความหนืดจลนศาสตร์ในแง่ของħมวลโมเลกุลและมวลอิเล็กตรอน
สุดท้ายเจริญรุ่งเรืองจากนั้น ในการเจริญขั้นสุดท้าย พวกเขาได้คิดค้นปริมาณใหม่ที่เรียกว่า “ความหนืดเบื้องต้น” ซึ่งเป็นผลคูณของความหนืดจลนศาสตร์และมวลโมเลกุล พวกเขาพบว่าขอบล่างของปริมาณนี้ เมื่อโมเลกุลที่เป็นปัญหาคืออะตอมเดี่ยวของไฮโดรเจนและมวลของมันจึงเท่ากับของโปรตอน – เป็นนิพจน์ที่เกี่ยวข้องกับเพียงħและอัตราส่วนมวลโปรตอนต่ออิเล็กตรอน (เช่นกัน เป็นπ ) ตามตัวเลขแล้ว พวกมันจะเท่ากับħโดย ประมาณ
“ความหนืดเป็นคุณสมบัติที่ซับซ้อนซึ่งแปรผันอย่างมากสำหรับของเหลวและสภาวะภายนอกที่แตกต่างกัน” Trachenko กล่าว “แต่ผลของเราแสดงให้เห็นว่าความหนืดต่ำสุดของของเหลวทั้งหมดนั้นเรียบง่ายและเป็นสากล”
อันที่จริง การคำนวณของทั้งคู่นั้นใกล้เคียงกับการจับคู่ค่าที่ได้จากข้อมูลการทดลอง ซึ่งเป็นค่าความหนืดเบื้องต้นต่ำสุดจากข้อมูลเชิงประจักษ์สำหรับโมเลกุลไฮโดรเจนและฮีเลียมประมาณ 3.5 ħและ 1.5 ħตามลำดับ น้ำที่หนักกว่านั้นมีขั้นต่ำประมาณ 30 ħ . พวกเขายังชี้ให้เห็นว่าสูตรของพวกเขาสอดคล้องกับหลักการความไม่แน่นอน – ซึ่งกำหนดค่าต่ำสุดของħสำหรับอนุภาคที่ถูกจำกัดภายในรัศมี Bohr
ควาร์ก-กลูออนพลาสม่านอกจากนี้ พวกเขายังกล่าวอีกว่า ผลลัพธ์ที่ได้ดังก้องกับขอบเขตล่างของความหนืดที่ได้รับมาก่อนหน้านี้โดยใช้ทฤษฎีสนามควอนตัมเพื่อหาคุณสมบัติของสิ่งที่เรียกว่าพลาสมาควาร์ก-กลูออน ซึ่งเป็นซุปร้อนพิเศษของอนุภาคพื้นฐานที่ไม่ผูกมัดซึ่งคิดว่ามีอยู่ใน จักรวาลแรกเริ่ม
ในทางปฏิบัติมากขึ้น Trachenko คาดว่างานของพวกเขาอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนาของเหลวที่มีความหนืดต่ำชนิดใหม่เพื่อใช้ในกระบวนการทางเคมี ทางอุตสาหกรรม หรือทางชีววิทยา เช่น ของเหลววิกฤตยิ่งยวดสำหรับการจัดการกับของเสียที่ซับซ้อน เขากล่าวว่าขอบเขตความหนืดที่ต่ำกว่าอาจเป็นเป้าหมายเชิงทฤษฎีที่มีประโยชน์ ในขณะที่การเล็งไปที่ระดับต่ำกว่านั้นจะหมายถึงการสูญเสียทรัพยากร
ทุกคนไม่มั่นใจอย่างไรก็ตาม Thomas Schäferจาก North Carolina State University ในสหรัฐอเมริกากล่าวว่าสูตรของทั้งคู่อาจเป็นค่าประมาณที่ดีสำหรับสิ่งที่เขาเรียกว่า “ของเหลวทั่วไป” แต่เขาคิดว่าข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับความยาวที่อยู่บนมาตราส่วนของรัศมีบอร์และเวลาที่เกี่ยวข้องกับความถี่ Debye อาจไม่เป็นความจริงเสมอไป ในก๊าซ Fermi ที่เย็นจัด เขากล่าวว่า เช่น อะตอมของลิเธียมหรือโพแทสเซียมที่ระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ มาตราส่วนความยาวและเวลาที่ “แตกต่างกันมาก”
Credit : perceptualriot.com percocetrxpharmacy.com perdomocigarsasia.com pervasivesecurityroundtable.com poetrydirectory.net
