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黏度

黏度(英語:Viscosity),是黏性的程度,是材料的首要功能,也称动力黏度、黏(滞)性系数、内摩擦系数。不同物质的黏度不同,例如在室温(25℃)及常压(1)下,空气的黏度为18.5μPa·s,大約比在相同温度下的水黏度小50倍。在常温(20℃)常压下,汽油的黏度为0.65mPa·s,为1mPa·s,血液(37℃)为4~15mPa·s,橄榄油为102mPa·s,蓖麻油为103mPa·s,蜂蜜为104mPa·s,焦油为106mPa·s,沥青为108mPa·s,等等。最普通的液体黏度大致在1~1000mPa·s,气体的黏度大致在1~10μPa·s。一些像黄油或人造黄油的脂肪很黏,更像软的固体,而不是流动液体。黏度較高的物質,比較不容易流動;而黏度較低的物質,比較容易流動。例如油的黏度較高,因此不容易流動;而水黏度較低,不但容易流動,倒水時還會出現水花,倒油時就不會出現類似的現象。

黏度
具有不同黏度的物質的模擬。右面的物質具有比左面的物質較高的黏度
常見符號
η, μ
国际单位Pa·s = (N·s)/m2 = kg/(s·m)
從其他物理量的推衍
μ = G·t
沥青的黏度大约是水黏度的2300亿(2.3×1011)倍[1]

黏滯力是流體受到剪應力變形或拉伸應力時所產生的阻力。在日常生活方面,黏滯像是「黏稠度」或「流體內的摩擦力」。因此,水是「稀薄」的,具有較低的黏滯力,而蜂蜜是「濃稠」的,具有較高的黏滯力。簡單地說,黏滯力越低(黏滯係數低)的流體,流動性越佳。黏滯力是黏性液體內部的一種流動阻力,並可能被認為是流體自身的摩擦。黏滯力主要來自分子間相互的吸引力。例如,高黏度酸性熔岩產生的火山通常為高而陡峭的錐狀火山,因為其熔岩濃稠,在其冷卻之前無法流至遠距離因而不斷向上累加;而黏滯力低的鎂鐵質熔岩將建立一個大規模、淺傾的盾狀火山。所有真正的流體(除超流體)有一定的抗壓力,因此有黏性。沒有阻力對抗剪切應力的流體被稱為理想流體或無黏流體。

黏度的定义。上面的边界板以恒速向右运动,从而带动下面的液体也向右运动。由于底板是静止的,因此液体从上向下的运动速度逐渐减低,从而在液体内部存在剪切应力。对于黏度低的液体,这个剪应力小,液体内部的摩擦小;对于黏度大的液体,这个剪应力大,液体内部摩擦大。所以黏度定义为剪应力与液体水平向右运动速度在y轴方向的变化梯度之比。本例中,如果液体水平向右运动速度的分布梯度如果是固定的,那么液体的黏度与所受剪应力成正比。

黏度定義為流體承受剪應力時,剪應力與流体单位速度差的比值,数学表述为:

式中:为剪应力,速度场在方向的分量,为与垂直的方向坐标。

产生 编辑

流体的黏度是由于相邻层间以不同的速度运动时产生的摩擦造成的。管中心处阻力最小,液层流动速度最大;管壁附近液层同时受到液体黏性阻力和管壁摩擦力作用,速度最小,在管壁上液层的移动速度为零(假定在不产生滑移时)。因此,一些附近的压力(如两头管的压力差)需要克服摩擦层之间阻力,来保持流体流动。同样的速度模式,应力应正比于流体的黏度。

分类 编辑

实际上,有两个量被称为黏度。一种被称为动态黏度、绝对黏度或简单黏度(来区别其他的量),但通常也称为黏度。另外一种量称为运动黏度(用符号ν表示),它是流体的黏度与密度的比值。

加工过程中,聚合物的流变性质主要表现为黏度的变化,根据流动过程中聚合物黏度与应力或应变速率的关系,将聚合物的流动行为分为:牛顿流体——黏度μ为常数;非牛顿流体——表观黏度μ不为常数。

定义 编辑

剪切黏度 编辑

 
在一个普通的并行流动(如可能发生在一个直管中),剪切应力与速度梯度成正比

是两个板块之间流体的层流剪切。而流体和移动边界之间的摩擦导致了流体剪切,描述这种行为强度的是流体的黏度。在一般的平行流动中(如可能发生在一个直管中),剪切应力正比于速度梯度。相互平行的相邻层之间的移动速度不同,产生剪切。而流体的剪切黏度是描述对剪切流动的抵抗能力。在理想情况下,它被定义为库爱特流——被困在水平板(一侧固定,一侧以恒定速度水平运动)间的一层流体。(注:通常认为板块非常大,不需要考虑边缘附近的情况。)

如果顶板的速度足够小,流体粒子将平行于它流动,并且它们的速度从底部的0到顶部的ν呈线性变化。流体的每一层流动速度快于它的下一层,它们之间会产生一个抵抗它们相对运动的摩擦力。特别是,流体将在顶板运动的反方向施加一个力,在底板也会产生一个等大反向的力。因此需要一个外力来维持顶板以恒定的速度运动。

力F的大小正比于每块板的运动速度u和面积A,而反比于两板之间的距离,即 

 

在这个公式中,比例系数 是流体的黏度(特别是动态黏度); 的比值称为剪切变形或剪切速度,是垂直于板的速度上流体速度的导数。牛顿用微分方程表达出了剪切应力:

 

  这个公式假设流动是沿着平行线的,并且垂直于流动方向的y轴指向最大剪切速度。这个方程可以用于速度非线性变化的情况,比如在流体流经管道中时的情况。

  • 机械和化学工程师以及物理学家们常使用希腊字母μ来表示动态压力黏度,然而化学家、物理学家、IUPAC也使用希腊字母η表示。

运动黏度 编辑

运动黏度是剪切黏度μ除以液体的密度ρ,通常用希腊字母ν表示。方便研究雷诺数

 
 

体积黏度 编辑

一个可压缩流体被均匀压缩或扩展时,没有剪切,但它仍然以内部摩擦的形式表现来抵制它的流动。这些力的一个与压缩或膨胀率有关的因素σ,称为体积黏度,或第二黏度。只有当流体被迅速压缩或扩展时,如声音和冲击波,体积黏度显得很重要。体积黏度解释了这些波的能量损失,正如斯托克斯的声衰减规律所描述的。

黏度张量 编辑

在一般情况下,流动中的应力可部分归因于从休息状态的材料的变形(弹性应力),部分归因于变形随时间的变化率(黏性应力)。在流体中,根据定义,弹性应力仅包括静水压力。 在一般的术语中,流体的黏度是应变率和黏性应力之间的关系。在牛顿流体模型,关系是通过定义一个线性映射,由黏度张量描述,乘以应变率张量(这是流动的速度梯度),给出了黏性应力张量。 一般,黏度张量具有九个独立的自由度。各向同性的牛顿流体,这可以减少到两个独立的参数。最常见的是,应力黏度μ和本体黏度σ。

牛顿流体与非牛顿流体 编辑

牛顿流体 编辑

表观黏度与剪切速率无关的流动特性的流体(即服从牛顿黏性定律的流体)称为牛顿流体。黏性定律是一个本构方程,而不是一个自然法则。一种流体的行为符合牛顿定律,黏度μ独立于应力的称为牛顿流体。气体,水和许多常见的液体可以在普通的条件和环境考虑为牛顿流体。

牛顿流体的流动曲线(剪切应力与剪切速率的关系曲线称为流动曲线),是一条通过原点的斜直线,該條斜直线的斜率即是該牛顿流体的黏度,斜率不同,黏度不同。对于同一流体,在任何剪切速率下,黏度相同,与剪切速率无关。

非牛顿流体 编辑

表观黏度随剪切速率而变化。它不再是物性常数,但它与牛顿黏度同量纲。黏性定律是一个本构方程,而不是一个自然法则。一种流体的行为符合牛顿定律,黏度μ独立于应力的称为牛顿流体。气体,水和许多常见的液体可以在普通的条件和环境考虑为牛顿流体。有许多明显偏离牛顿定律的非牛顿流体,比如:

  • 切力变稀流体:流体黏度随剪切速率增大而降低;
  • 触变性流体:定温下表观黏度随剪切持续时间而降低;
  • 震凝性流体:定温下表观黏度随剪切持续时间而增大;
  • 宾汉流体:在低应力下表现为固体,在高应力下表现为黏性流体。

即使是牛顿流体,黏度通常取决于其组成和温度。气体等可压缩性流体,这取决于温度,而随压力变化很慢。一些流体的黏度可能取决于其他因素。例如磁流变流体,流体在加磁场后变厚,可能会表现得像固体点。

溶液黏度 编辑

影片显示了三个具有不同黏度的液体

对于溶液(尤其是高分子溶液),常用到以下几种黏度。

相对黏度(又称黏度比)是溶液(或分散相)的黏度η与溶剂(或连续相)的黏度η0之比,即:

 

增比黏度(又称比黏度)是溶液(或分散相)的黏度η与溶剂(或连续相)的黏度η0之差被溶剂(或连续相)黏度的η0除得之商,即:

 

比浓黏度(又称换算黏度或黏度数)是单位浓度的溶液(或分散相)的增比浓度,即:

 

比浓对数黏度(又称对数黏度)是相对黏度的自然对数被溶液(或分散相)的浓度除得之商,即:

 

特性黏度(又称极限黏度)是浓度趋于零时比浓黏度的极限值,即:

 

固体黏度 编辑

 
花生酱是一种半固體,因此可以有山峰状

在流体流动中所产生的黏性力不能与在固体中对剪切、压缩或拉伸产生的回复弹性力相混淆。后者的应力是与形变量成比例的,而在流体中与形变随时间的变化率成比例。然而,许多液体(包括水)在受到突然的压力后,反应像弹性固体。相反,甚至在任意应力较小,许多“固体”(即使花岗岩)将像液体一样流动,虽然很慢。这样的材料,具有弹性(反应变形)和黏度(以变形率的反应),即黏弹性。黏弹性固体可能表现出压力黏性和体积黏性。拉伸黏度的剪切和体积黏度,描述了一个固体弹性材料的伸长率的反应的一个线性组合,它广泛用于表征聚合物。在地质学中,具有黏性变形至少三倍于弹性变形的稀土材料有时被称为流变体。

单位 编辑

动力黏度 编辑

黏度的国际单位制是帕斯卡·秒[Pa·s],有時也使用以法国生理学家吉恩·路易斯·泊肃叶命名的[P]。十个泊等于一个帕斯卡·秒。

1Pa·s = 10P

实际上,有两个量被称为黏度。上面所定义的量有时被称为动态黏度、绝对黏度或简单黏度(来区别其他的量),但通常也称为黏度,常用符号为μ或η。另外一种量称为运动黏度(用符号ν表示),它是流体的黏度与密度的比值:

 

运动黏度 编辑

运动黏度是在重力影响下,衡量抵制液体流动的量。它的测量装置通常被称为毛细管黏度计——基本上是底部有一个狭窄管的有刻度的筒。当两种体积相同的液体放置在相同的毛细管中,并且可以在重力的影响下流动,那么在流过管道时,黏性流体花费的时间比少黏性流体花费的时间要长。运动黏度的SI单位是平方米/秒,没有特别的名字。由于这个单位太大,很少使用。一个更常见的运动黏度单位是平方厘米/秒,这是考虑到以爱尔兰的数学家和动物学家乔治·加布里埃尔·斯托克斯(1819~1903)而命名的斯托克斯(St)。这个单位也有点大,所以最常见的单位可能是平方毫米/秒,或厘司。

1 m2/s= 10,000 [stokes]= 1,000,000 [centistokes]
1 cm2/s=1 stokes
1 mm2/s=1 centistokes

黏度与温度的关系 编辑

从日常经验中,我们可以知道,黏度随着温度的变化而变化。如,蜂蜜和糖浆在加热时更容易流动;在冬季天气变冷时,发动机润滑油和液压液明显黏性變高,严重影响汽车及其他机械的性能。一般来说,一种简单液体的黏度随温度的升高而下降(反之亦然),随着温度的升高,液体中分子中运动的平均速度增大,与临近分子的接触时间变短。确切地说,两个变量的变化是非线性的,当有相变发生时,变量发生突变。 加热时,液体更易流动,气体变稠。气体的黏度随温度的升高而增大,且黏度正比于温度的平方根。这是由于在更高的温度下,增大了分子间碰撞的频率。因为气体中的分子大部分时间是在空间自由运动,任何增加一个分子与另一个分子接触时间的因素,都会降低分子作为一个整体参与协调运动的能力。这类分子彼此发生碰撞,运动变得更加的杂乱无章,充分解释了气体黏度对温度的依赖性。

黏度与温度的关系非常密切,在常温常压下,当温度变化1℃时,液体的黏度变化达百分之几至十几,气体约为千分之几,例如在(20±1)℃时有

Δη水≈±2.5%;
Δη矿物油≈±3%~±10%;
Δη硅油≈±2%~±3%;
Δη聚异丁烯≈±10%;
Δη空气≈±0.3%.

黏度与温度并不成线性关系,它与温度范围有关,温度越低,黏温关系越密切。又如,在0℃,20℃及100℃下,当ΔT=±1℃时,水的黏度变化,分别约为3.4%,2.5%及1.1%[2]。此外,气体与液体的黏度温度变化的规律完全相反,气体的黏度随温度升高而增大,因为气体的黏性是由于动量传递所致,当温度升高时,分子的热运动加剧,动量增大,流层间的内摩擦加剧,所以黏度增大。而液体的黏性来自分子引力,温度升高,分子间的距离加大,分子引力减小,内摩擦减弱,所以黏度减小。

黏度随温度变化的程度还与许多因素有关,例如物质的化学组成、黏流活化能、黏度大小等,例如通常液体的黏度越大,液体的黏度随温度的变化越大。

因为黏度是如此地依赖于温度,所以在描述黏度时离不开温度。

黏度与压力的关系 编辑

气体黏度与压强的关系 编辑

气体的黏度随压强的增大而增大,黏度与压强的关系可由公式( )求得[3]

液体黏度与压力的关系 编辑

液体黏度随压力的增加而增大,但远不如气体的黏度与压力的关系之密切。在500MPa(即5000大气压)下,液体黏度与压力的关系用公式( )表示[3]。普通液体在0.1MPa附近,每增加0.1MPa压力时,黏度增加约0.1%~0.3%。对于黏度η>1.2mPa·s的液烃,可用库泽尔式来计算高压下的黏度值。

黏度的测量 编辑

测量黏度的有各种黏度计和流变仪。流变仪用于流体的黏度不能用单个黏度值定义的情况 ,因此要比黏度计需要更多的参数设定和测量。封闭的流体温度控制是准确测量所必备的,特别是像润滑油的黏度,仅变化5℃可翻倍。一些流体,在较宽的剪切速率范围内,黏度是恒定的(牛顿流体)。没有恒定黏度的流体(非黏度流体)不能由单一的数字来描述。非牛顿流体表现出剪切应力和剪切速率之间各种不同的相关性。目前用得最广泛的主要有毛细管黏度计,旋转黏度计,落球黏度计和锥板黏度计等几种,这些仪器可以测量10-2~1012泊的黏度。各种黏度计所适应的剪切速率范围不同。挤出式毛细管黏度计通常可在10-1~106与实际加工条件非常接近的剪切速率范围使用;转动式黏度计可用于剪切速率在10-3~10的范围,而球式黏度计只能在很低的剪切速率范围内使用。

某些特定物质的黏度 编辑

空气 编辑

 
在300, 400和500 K下乾空气动态黏度对压力的依赖

空气的黏度主要取决于温度。在15 °C时,空气的黏度是1.81×10−5 kg/(m·s), 18.1 μPa.s 或1.81×10−5 Pa.s。在15 °C时空气的运动黏度是1.48×10−5 m^2/s或14.8 cSt。在25 °C时,黏度是18.6 μPa.s和运动黏度是15.7 cSt。人们能从气体黏度计算器上得到气体黏度与温度的函数。

编辑

 
水的动态黏度.
  • 在25 °C时,的动态黏度是8.90 × 10−4 Pa·s或 8.90 × 10−3 dyn·s/cm2 或0.890 cP。
  • 在25℃时水的黏度是0.0091泊,或在20 °C时为1厘泊。
  • 作为温度的函数, T(K): μ = A × 10B/(TC)

其中A=2.414 × 10−5 Pa·s ; B = 247.8 K ; and C = 140 K。

  • 下面列出的是不同温度下液体水的黏度。
温度

[°C]

黏度

[mPa.s]

10 1.308
20 1.002
30 0.7978
40 0.6531
50 0.5471
60 0.4658
70 0.4044
80 0.3550
90 0.3150
100 0.2822

泥浆 编辑

这一术语悬浮液描述的是保持着流动性的液体和固体颗粒的混合物。浆料的黏度可以被描述为相对的液相黏度:

 

在以上公式中,μsμl分别是泥浆和液体的动力黏度(PA·S),μr是相对黏度(无量纲)

根据不同的固体颗粒的大小和浓度,存在几个模型,其描述相对黏度的固体颗粒的并具有体积分数ɸ功能。

在极低浓度的细颗粒的情况下,爱因斯坦方程[4]可以使用:

 

在高浓度的情况下,由Guth and Simha提出修改后的方程[5],其考虑固体颗粒之间的相互作用,这个方程的进一步改进由托马斯从实证数据的拟合中提出。

 

其中A = 0.00273 and B = 16.6

在非常高的浓度下,另一个经验方程通过Kitano 等人提出。:[6]

 

其中对于光滑的球形颗粒A = 0.68

非晶态材料 编辑

 
普通玻璃黏度曲线[7]

在非晶材料的黏性流动(如玻璃和熔体)是一个热激活过程:

 

其中Q是活化能, T是温度, R为摩尔气体常数和A近似为一常。

在非晶材料的黏性流动的特点与阿伦尼乌斯式行为有偏差:在高温下(在液体状态),Q变化从一个在较低温度下(在玻璃态)的较高值QH到一个较高温度下的较低值QL。根据这一变化,来划分非晶材料。

  • 在强的条件下: QHQL < QL or
  • 在脆的条件下: QHQLQL.

非晶材料的脆性是数值特征的多雷米的脆弱性比:

 

其中,强硬的材料的RD < 2而脆性材料的RD ≥ 2。

 
B2O3的黏度-温度的常用对数,表现出两种状态

非晶材料的黏度由由一个二指数方程相当精确地描述:

 

其中包括的常量A1, A2, B, CD与非晶材料的结合键的热力学参数相关。

如果温度在玻璃化转变温度附近,Tg,这个方程可以通过Vogel-Fulcher-Tammann(VFT)equation近似方程(VFT)表示。

如果温度低于玻璃化转变温度,T  Tg,然后两个指数方程简化为一个阿伦尼乌斯型方程:

 

并且:

 

其中Hd是断键的形成焓(称为configuron S)和Hm 是其运动焓。 当温度低于玻璃化转变温度,T < Tg,其黏度的活化能高因为非晶材料在玻璃态和大部分结合键是完整的。

如果温度是高度以上的玻璃化转变温度,T  Tg,两个指数方程也简化了一个阿伦尼乌斯型方程:

 

而且:

 

当温度高于玻璃化转变温度,T > Tg,黏度的活化能低,因为非晶材料被熔化及其大部分结合键断裂,这有利于流动。

其他物质 编辑

下表列出了一些牛顿流体的运动黏度:

在100 kPa下,选定气体的黏度, [μPa·s]
Gas 在0°C(273 K) 在27 °C (300 K)[8]
空气 17.4 18.6
氢气 8.4 9.0
氦气 20.0
氩气 22.9
氙气 21.2 23.2
二氧化碳 15.0
甲烷 11.2
乙烷 9.5
不同组成液体的黏度
液体 黏度

[Pa·s]

黏度

[cP]

血液(37 °C) (3–4)×10-3 3–4
蜂蜜 2–10 2,000–10,000
糖浆 5–10 5,000–10,000
熔融态玻璃 10–1,000 10,000–1,000,000
巧克力酱 10–25 10,000–25,000
熔融巧克力 45–130[9] 45,000–130,000
番茄酱 50–100 50,000–100,000
猪油 ≈ 100 ≈ 100,000
花生酱 ≈ 250 ≈ 250,000
酥油 ≈ 250 ≈ 250,000
液体的黏度
(在25°C,除非另有说明)
液体: 黏度

[Pa·s]

黏度

[cP=mPa·s]

丙酮 3.06×10-4 0.306
6.04×10-4 0.604
蓖麻油 0.985 985
玉米糖浆 1.3806 1380.6
乙醇 1.074×10-3 1.074
乙二醇 1.61×10-2 16.1
甘油(在20°C) 1.2 1200
HFO-380 2.022 2022
水银 1.526×10-3 1.526
甲醇 5.44×10-4 0.544
车用机油SAE 10(20 °C) 0.065 65
车用机油SAE 40(20 °C) 0.319 319
硝基苯 1.863×10-3 1.863
液氮(77K) 1.58×10-4 0.158
丙醇 1.945×10-3 1.945
橄榄油 8.1×10-2 81
沥青 2.3×108 2.3×1011
硫酸 2.42×10-2 24.2
8.94×10-4 0.894
固体的黏度
固体 黏度

[温度 [Pa·s]

[K]

岩流圈 7.0×1019 900 °C
地幔 (0.7-1.0)×1021 1300-3000 °C
地幔 (1.0-2.0)×1021 3000-4000 °C

*这些材料是高濃度非牛顿型的。

注:高浓度意味着更厚的物质。

参见 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ Edgeworth,, R.; Dalton, B.J.; Parnell, T. The pitch drop experiment. University of Queensland. [2009-03-31]. (原始内容于2012-02-04). . A copy of: European Journal of Physics (1984) pp. 198–200.
  2. ^ 陈惠钊. 2003,2.中国计量出版出版社(修订版),北京.
  3. ^ 3.0 3.1 陈惠钊. 1994,6.中国计量出版出版社,北京.
  4. ^ Einstein. A. Ann. Phys. 1906, 19: 289.  缺少或|title=为空 (帮助)
  5. ^ Thomas, D. G. Transport characteristics of suspension: VIII. A note on the viscosity of Newtonian suspensions of uniform spherical particles. J. Colloid Sci. 1965, 20 (3): 267. doi:10.1016/0095-8522(65)90016-4. 
  6. ^ Kitano, T., Kataoka, T., and Shirota, T. An empirical equation of the relative viscosity of polymer melts filled with various inorganic fillers. Rheologica Acta. 1981, 20 (2): 207. doi:10.1007/BF01513064. 
  7. ^ Alexander Fluegel. Viscosity calculation of glasses. Glassproperties.com. [2010-09-14]. (原始内容于2010-11-27). 
  8. ^ "Handbook of Chemistry and Physics", 83rd edition, CRC Press, 2002.
  9. ^ . Brookfield Engineering website. [2007-12-03]. (原始内容存档于2007-11-28). 

黏度, 此條目需要补充更多来源, 2018年6月15日, 请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目, 无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除, 致使用者, 请搜索一下条目的标题, 来源搜索, 网页, 新闻, 书籍, 学术, 图像, 以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源, 判定指引, 英語, viscosity, 是黏性的程度, 是材料的首要功能, 也称动力, 性系数, 内摩擦系数, 不同物质的不同, 例如在室温, 及常压, 1巴, 空气的为18, 5μpa, 大約比在相同温度下的水小50倍, 在常温, 常压下,. 此條目需要补充更多来源 2018年6月15日 请协助補充多方面可靠来源以改善这篇条目 无法查证的内容可能會因為异议提出而被移除 致使用者 请搜索一下条目的标题 来源搜索 黏度 网页 新闻 书籍 学术 图像 以检查网络上是否存在该主题的更多可靠来源 判定指引 黏度 英語 Viscosity 是黏性的程度 是材料的首要功能 也称动力黏度 黏 滞 性系数 内摩擦系数 不同物质的黏度不同 例如在室温 25 及常压 1巴 下 空气的黏度为18 5mPa s 大約比在相同温度下的水黏度小50倍 在常温 20 常压下 汽油的黏度为0 65mPa s 水为1mPa s 血液 37 为4 15mPa s 橄榄油为102mPa s 蓖麻油为103mPa s 蜂蜜为104mPa s 焦油为106mPa s 沥青为108mPa s 等等 最普通的液体黏度大致在1 1000mPa s 气体的黏度大致在1 10mPa s 一些像黄油或人造黄油的脂肪很黏 更像软的固体 而不是流动液体 黏度較高的物質 比較不容易流動 而黏度較低的物質 比較容易流動 例如油的黏度較高 因此不容易流動 而水黏度較低 不但容易流動 倒水時還會出現水花 倒油時就不會出現類似的現象 黏度具有不同黏度的物質的模擬 右面的物質具有比左面的物質較高的黏度常見符號h m国际单位Pa s N s m2 kg s m 從其他物理量的推衍m G t 沥青的黏度大约是水黏度的2300亿 2 3 1011 倍 1 黏滯力是流體受到剪應力變形或拉伸應力時所產生的阻力 在日常生活方面 黏滯像是 黏稠度 或 流體內的摩擦力 因此 水是 稀薄 的 具有較低的黏滯力 而蜂蜜是 濃稠 的 具有較高的黏滯力 簡單地說 黏滯力越低 黏滯係數低 的流體 流動性越佳 黏滯力是黏性液體內部的一種流動阻力 並可能被認為是流體自身的摩擦 黏滯力主要來自分子間相互的吸引力 例如 高黏度酸性熔岩產生的火山通常為高而陡峭的錐狀火山 因為其熔岩濃稠 在其冷卻之前無法流至遠距離因而不斷向上累加 而黏滯力低的鎂鐵質熔岩將建立一個大規模 淺傾的盾狀火山 所有真正的流體 除超流體 有一定的抗壓力 因此有黏性 沒有阻力對抗剪切應力的流體被稱為理想流體或無黏流體 黏度的定义 上面的边界板以恒速向右运动 从而带动下面的液体也向右运动 由于底板是静止的 因此液体从上向下的运动速度逐渐减低 从而在液体内部存在剪切应力 对于黏度低的液体 这个剪应力小 液体内部的摩擦小 对于黏度大的液体 这个剪应力大 液体内部摩擦大 所以黏度定义为剪应力与液体水平向右运动速度在y轴方向的变化梯度之比 本例中 如果液体水平向右运动速度的分布梯度如果是固定的 那么液体的黏度与所受剪应力成正比 黏度m displaystyle mu 定義為流體承受剪應力時 剪應力與流体单位速度差的比值 数学表述为 t m u y displaystyle tau mu frac partial u partial y 式中 t displaystyle tau 为剪应力 u displaystyle u 为速度场在x displaystyle x 方向的分量 y displaystyle y 为与x displaystyle x 垂直的方向坐标 目录 1 产生 2 分类 3 定义 3 1 剪切黏度 3 2 运动黏度 3 3 体积黏度 3 4 黏度张量 4 牛顿流体与非牛顿流体 4 1 牛顿流体 4 2 非牛顿流体 5 溶液黏度 6 固体黏度 7 单位 7 1 动力黏度 7 2 运动黏度 8 黏度与温度的关系 9 黏度与压力的关系 9 1 气体黏度与压强的关系 9 2 液体黏度与压力的关系 10 黏度的测量 11 某些特定物质的黏度 11 1 空气 11 2 水 11 3 泥浆 11 4 非晶态材料 11 5 其他物质 12 参见 13 参考文献产生 编辑流体的黏度是由于相邻层间以不同的速度运动时产生的摩擦造成的 管中心处阻力最小 液层流动速度最大 管壁附近液层同时受到液体黏性阻力和管壁摩擦力作用 速度最小 在管壁上液层的移动速度为零 假定在不产生滑移时 因此 一些附近的压力 如两头管的压力差 需要克服摩擦层之间阻力 来保持流体流动 同样的速度模式 应力应正比于流体的黏度 分类 编辑实际上 有两个量被称为黏度 一种被称为动态黏度 绝对黏度或简单黏度 来区别其他的量 但通常也称为黏度 另外一种量称为运动黏度 用符号n表示 它是流体的黏度与密度的比值 加工过程中 聚合物的流变性质主要表现为黏度的变化 根据流动过程中聚合物黏度与应力或应变速率的关系 将聚合物的流动行为分为 牛顿流体 黏度m为常数 非牛顿流体 表观黏度m不为常数 定义 编辑剪切黏度 编辑 nbsp 在一个普通的并行流动 如可能发生在一个直管中 剪切应力与速度梯度成正比是两个板块之间流体的层流剪切 而流体和移动边界之间的摩擦导致了流体剪切 描述这种行为强度的是流体的黏度 在一般的平行流动中 如可能发生在一个直管中 剪切应力正比于速度梯度 相互平行的相邻层之间的移动速度不同 产生剪切 而流体的剪切黏度是描述对剪切流动的抵抗能力 在理想情况下 它被定义为库爱特流 被困在水平板 一侧固定 一侧以恒定速度水平运动 间的一层流体 注 通常认为板块非常大 不需要考虑边缘附近的情况 如果顶板的速度足够小 流体粒子将平行于它流动 并且它们的速度从底部的0到顶部的n呈线性变化 流体的每一层流动速度快于它的下一层 它们之间会产生一个抵抗它们相对运动的摩擦力 特别是 流体将在顶板运动的反方向施加一个力 在底板也会产生一个等大反向的力 因此需要一个外力来维持顶板以恒定的速度运动 力F的大小正比于每块板的运动速度u和面积A 而反比于两板之间的距离 即 F m A u y displaystyle F mu A frac u y nbsp 在这个公式中 比例系数m displaystyle mu nbsp 是流体的黏度 特别是动态黏度 u y displaystyle frac u y nbsp 的比值称为剪切变形或剪切速度 是垂直于板的速度上流体速度的导数 牛顿用微分方程表达出了剪切应力 t m u y displaystyle tau mu frac partial u partial y nbsp 这个公式假设流动是沿着平行线的 并且垂直于流动方向的y轴指向最大剪切速度 这个方程可以用于速度非线性变化的情况 比如在流体流经管道中时的情况 机械和化学工程师以及物理学家们常使用希腊字母m来表示动态压力黏度 然而化学家 物理学家 IUPAC也使用希腊字母h表示 运动黏度 编辑 运动黏度是剪切黏度m除以液体的密度r 通常用希腊字母n表示 方便研究雷诺数 n m r displaystyle mathrm nu frac mu rho nbsp R e r u L m u L n displaystyle mathrm Re frac rho uL mu frac uL nu nbsp 体积黏度 编辑 主条目 体积黏度 一个可压缩流体被均匀压缩或扩展时 没有剪切 但它仍然以内部摩擦的形式表现来抵制它的流动 这些力的一个与压缩或膨胀率有关的因素s 称为体积黏度 或第二黏度 只有当流体被迅速压缩或扩展时 如声音和冲击波 体积黏度显得很重要 体积黏度解释了这些波的能量损失 正如斯托克斯的声衰减规律所描述的 黏度张量 编辑 在一般情况下 流动中的应力可部分归因于从休息状态的材料的变形 弹性应力 部分归因于变形随时间的变化率 黏性应力 在流体中 根据定义 弹性应力仅包括静水压力 在一般的术语中 流体的黏度是应变率和黏性应力之间的关系 在牛顿流体模型 关系是通过定义一个线性映射 由黏度张量描述 乘以应变率张量 这是流动的速度梯度 给出了黏性应力张量 一般 黏度张量具有九个独立的自由度 各向同性的牛顿流体 这可以减少到两个独立的参数 最常见的是 应力黏度m和本体黏度s 牛顿流体与非牛顿流体 编辑牛顿流体 编辑 表观黏度与剪切速率无关的流动特性的流体 即服从牛顿黏性定律的流体 称为牛顿流体 黏性定律是一个本构方程 而不是一个自然法则 一种流体的行为符合牛顿定律 黏度m独立于应力的称为牛顿流体 气体 水和许多常见的液体可以在普通的条件和环境考虑为牛顿流体 牛顿流体的流动曲线 剪切应力与剪切速率的关系曲线称为流动曲线 是一条通过原点的斜直线 該條斜直线的斜率即是該牛顿流体的黏度 斜率不同 黏度不同 对于同一流体 在任何剪切速率下 黏度相同 与剪切速率无关 非牛顿流体 编辑 表观黏度随剪切速率而变化 它不再是物性常数 但它与牛顿黏度同量纲 黏性定律是一个本构方程 而不是一个自然法则 一种流体的行为符合牛顿定律 黏度m独立于应力的称为牛顿流体 气体 水和许多常见的液体可以在普通的条件和环境考虑为牛顿流体 有许多明显偏离牛顿定律的非牛顿流体 比如 切力变稀流体 流体黏度随剪切速率增大而降低 触变性流体 定温下表观黏度随剪切持续时间而降低 震凝性流体 定温下表观黏度随剪切持续时间而增大 宾汉流体 在低应力下表现为固体 在高应力下表现为黏性流体 即使是牛顿流体 黏度通常取决于其组成和温度 气体等可压缩性流体 这取决于温度 而随压力变化很慢 一些流体的黏度可能取决于其他因素 例如磁流变流体 流体在加磁场后变厚 可能会表现得像固体点 溶液黏度 编辑 source source source source source source source source source source 影片显示了三个具有不同黏度的液体对于溶液 尤其是高分子溶液 常用到以下几种黏度 相对黏度 又称黏度比 是溶液 或分散相 的黏度h与溶剂 或连续相 的黏度h0之比 即 h r h h 0 displaystyle eta r frac eta eta 0 nbsp 增比黏度 又称比黏度 是溶液 或分散相 的黏度h与溶剂 或连续相 的黏度h0之差被溶剂 或连续相 黏度的h0除得之商 即 h s p h h 0 h 0 h h 0 1 h r 1 displaystyle eta sp frac eta eta 0 eta 0 frac eta eta 0 1 eta r 1 nbsp 比浓黏度 又称换算黏度或黏度数 是单位浓度的溶液 或分散相 的增比浓度 即 h s p c h r 1 c displaystyle frac eta sp c frac eta r 1 c nbsp 比浓对数黏度 又称对数黏度 是相对黏度的自然对数被溶液 或分散相 的浓度除得之商 即 h ln h r c displaystyle left eta right frac ln eta r c nbsp 特性黏度 又称极限黏度 是浓度趋于零时比浓黏度的极限值 即 h lim c 0 h s p c displaystyle left eta right lim c to 0 frac eta sp c nbsp 固体黏度 编辑此條目翻譯品質不佳 翻譯者可能不熟悉中文或原文語言 也可能使用了機器翻譯 請協助翻譯本條目或重新編寫 并注意避免翻译腔的问题 明顯拙劣的翻譯請改掛 a href Template D html class mw redirect title Template D d a a href Wikipedia CSD html G13 class mw redirect title Wikipedia CSD G13 a 提交刪除 nbsp 花生酱是一种半固體 因此可以有山峰状在流体流动中所产生的黏性力不能与在固体中对剪切 压缩或拉伸产生的回复弹性力相混淆 后者的应力是与形变量成比例的 而在流体中与形变随时间的变化率成比例 然而 许多液体 包括水 在受到突然的压力后 反应像弹性固体 相反 甚至在任意应力较小 许多 固体 即使花岗岩 将像液体一样流动 虽然很慢 这样的材料 具有弹性 反应变形 和黏度 以变形率的反应 即黏弹性 黏弹性固体可能表现出压力黏性和体积黏性 拉伸黏度的剪切和体积黏度 描述了一个固体弹性材料的伸长率的反应的一个线性组合 它广泛用于表征聚合物 在地质学中 具有黏性变形至少三倍于弹性变形的稀土材料有时被称为流变体 单位 编辑动力黏度 编辑 黏度的国际单位制是帕斯卡 秒 Pa s 有時也使用以法国生理学家吉恩 路易斯 泊肃叶命名的泊 P 十个泊等于一个帕斯卡 秒 1Pa s 10P实际上 有两个量被称为黏度 上面所定义的量有时被称为动态黏度 绝对黏度或简单黏度 来区别其他的量 但通常也称为黏度 常用符号为m或h 另外一种量称为运动黏度 用符号n表示 它是流体的黏度与密度的比值 n h r displaystyle nu frac eta rho nbsp 运动黏度 编辑 运动黏度是在重力影响下 衡量抵制液体流动的量 它的测量装置通常被称为毛细管黏度计 基本上是底部有一个狭窄管的有刻度的筒 当两种体积相同的液体放置在相同的毛细管中 并且可以在重力的影响下流动 那么在流过管道时 黏性流体花费的时间比少黏性流体花费的时间要长 运动黏度的SI单位是平方米 秒 没有特别的名字 由于这个单位太大 很少使用 一个更常见的运动黏度单位是平方厘米 秒 这是考虑到以爱尔兰的数学家和动物学家乔治 加布里埃尔 斯托克斯 1819 1903 而命名的斯托克斯 St 这个单位也有点大 所以最常见的单位可能是平方毫米 秒 或厘司 1 m2 s 10 000 stokes 1 000 000 centistokes 1 cm2 s 1 stokes 1 mm2 s 1 centistokes黏度与温度的关系 编辑从日常经验中 我们可以知道 黏度随着温度的变化而变化 如 蜂蜜和糖浆在加热时更容易流动 在冬季天气变冷时 发动机润滑油和液压液明显黏性變高 严重影响汽车及其他机械的性能 一般来说 一种简单液体的黏度随温度的升高而下降 反之亦然 随着温度的升高 液体中分子中运动的平均速度增大 与临近分子的接触时间变短 确切地说 两个变量的变化是非线性的 当有相变发生时 变量发生突变 加热时 液体更易流动 气体变稠 气体的黏度随温度的升高而增大 且黏度正比于温度的平方根 这是由于在更高的温度下 增大了分子间碰撞的频率 因为气体中的分子大部分时间是在空间自由运动 任何增加一个分子与另一个分子接触时间的因素 都会降低分子作为一个整体参与协调运动的能力 这类分子彼此发生碰撞 运动变得更加的杂乱无章 充分解释了气体黏度对温度的依赖性 黏度与温度的关系非常密切 在常温常压下 当温度变化1 时 液体的黏度变化达百分之几至十几 气体约为千分之几 例如在 20 1 时有 Dh水 2 5 Dh矿物油 3 10 Dh硅油 2 3 Dh聚异丁烯 10 Dh空气 0 3 黏度与温度并不成线性关系 它与温度范围有关 温度越低 黏温关系越密切 又如 在0 20 及100 下 当DT 1 时 水的黏度变化 分别约为3 4 2 5 及1 1 2 此外 气体与液体的黏度温度变化的规律完全相反 气体的黏度随温度升高而增大 因为气体的黏性是由于动量传递所致 当温度升高时 分子的热运动加剧 动量增大 流层间的内摩擦加剧 所以黏度增大 而液体的黏性来自分子引力 温度升高 分子间的距离加大 分子引力减小 内摩擦减弱 所以黏度减小 黏度随温度变化的程度还与许多因素有关 例如物质的化学组成 黏流活化能 黏度大小等 例如通常液体的黏度越大 液体的黏度随温度的变化越大 因为黏度是如此地依赖于温度 所以在描述黏度时离不开温度 黏度与压力的关系 编辑气体黏度与压强的关系 编辑 气体的黏度随压强的增大而增大 黏度与压强的关系可由公式 h h 1 f displaystyle eta eta 1 f nbsp 求得 3 液体黏度与压力的关系 编辑 液体黏度随压力的增加而增大 但远不如气体的黏度与压力的关系之密切 在500MPa 即5000大气压 下 液体黏度与压力的关系用公式 h h 1 exp a p displaystyle eta eta 1 exp alpha p nbsp 表示 3 普通液体在0 1MPa附近 每增加0 1MPa压力时 黏度增加约0 1 0 3 对于黏度h gt 1 2mPa s的液烃 可用库泽尔式来计算高压下的黏度值 黏度的测量 编辑测量黏度的有各种黏度计和流变仪 流变仪用于流体的黏度不能用单个黏度值定义的情况 因此要比黏度计需要更多的参数设定和测量 封闭的流体温度控制是准确测量所必备的 特别是像润滑油的黏度 仅变化5 可翻倍 一些流体 在较宽的剪切速率范围内 黏度是恒定的 牛顿流体 没有恒定黏度的流体 非黏度流体 不能由单一的数字来描述 非牛顿流体表现出剪切应力和剪切速率之间各种不同的相关性 目前用得最广泛的主要有毛细管黏度计 旋转黏度计 落球黏度计和锥板黏度计等几种 这些仪器可以测量10 2 1012泊的黏度 各种黏度计所适应的剪切速率范围不同 挤出式毛细管黏度计通常可在10 1 106与实际加工条件非常接近的剪切速率范围使用 转动式黏度计可用于剪切速率在10 3 10的范围 而球式黏度计只能在很低的剪切速率范围内使用 某些特定物质的黏度 编辑空气 编辑 nbsp 在300 400和500 K下乾空气动态黏度对压力的依赖空气的黏度主要取决于温度 在15 C时 空气的黏度是1 81 10 5 kg m s 18 1 mPa s 或1 81 10 5 Pa s 在15 C时空气的运动黏度是1 48 10 5 m 2 s或14 8 cSt 在25 C时 黏度是18 6 mPa s和运动黏度是15 7 cSt 人们能从气体黏度计算器上得到气体黏度与温度的函数 水 编辑 nbsp 水的动态黏度 在25 C时 水的动态黏度是8 90 10 4 Pa s或 8 90 10 3 dyn s cm2 或0 890 cP 在25 时水的黏度是0 0091泊 或在20 C时为1厘泊 作为温度的函数 T K m A 10B T C 其中A 2 414 10 5 Pa s B 247 8 K and C 140 K 下面列出的是不同温度下液体水的黏度 温度 C 黏度 mPa s 10 1 30820 1 00230 0 797840 0 653150 0 547160 0 465870 0 404480 0 355090 0 3150100 0 2822泥浆 编辑 这一术语悬浮液描述的是保持着流动性的液体和固体颗粒的混合物 浆料的黏度可以被描述为相对的液相黏度 m s m r m l displaystyle mu s mu r cdot mu l nbsp 在以上公式中 ms和ml分别是泥浆和液体的动力黏度 PA S mr是相对黏度 无量纲 根据不同的固体颗粒的大小和浓度 存在几个模型 其描述相对黏度的固体颗粒的并具有体积分数ɸ功能 在极低浓度的细颗粒的情况下 爱因斯坦方程 4 可以使用 m r 1 2 5 ϕ displaystyle mu r 1 2 5 cdot phi nbsp 在高浓度的情况下 由Guth and Simha提出修改后的方程 5 其考虑固体颗粒之间的相互作用 这个方程的进一步改进由托马斯从实证数据的拟合中提出 m r 1 2 5 ϕ 10 05 ϕ 2 A e B ϕ displaystyle mu r 1 2 5 cdot phi 10 05 cdot phi 2 A cdot e B cdot phi nbsp 其中A 0 00273 and B 16 6在非常高的浓度下 另一个经验方程通过Kitano 等人提出 6 m r 1 ϕ A 2 displaystyle mu r left 1 frac phi A right 2 nbsp 其中对于光滑的球形颗粒A 0 68 非晶态材料 编辑 nbsp 普通玻璃黏度曲线 7 在非晶材料的黏性流动 如玻璃和熔体 是一个热激活过程 m A e Q R T displaystyle mu A cdot e Q RT nbsp 其中Q是活化能 T是温度 R为摩尔气体常数和A近似为一常 在非晶材料的黏性流动的特点与阿伦尼乌斯式行为有偏差 在高温下 在液体状态 Q变化从一个在较低温度下 在玻璃态 的较高值QH到一个较高温度下的较低值QL 根据这一变化 来划分非晶材料 在强的条件下 QH QL lt QL or 在脆的条件下 QH QL QL 非晶材料的脆性是数值特征的多雷米的脆弱性比 R D Q H Q L displaystyle R D frac Q H Q L nbsp 其中 强硬的材料的RD lt 2而脆性材料的RD 2 nbsp B2O3的黏度 温度的常用对数 表现出两种状态非晶材料的黏度由由一个二指数方程相当精确地描述 m A 1 T 1 A 2 e B R T 1 C e D R T displaystyle mu A 1 cdot T cdot left 1 A 2 cdot e B RT right cdot left 1 C cdot e D RT right nbsp 其中包括的常量A1 A2 B C和D与非晶材料的结合键的热力学参数相关 如果温度在玻璃化转变温度附近 Tg 这个方程可以通过Vogel Fulcher Tammann VFT equation近似方程 VFT 表示 如果温度低于玻璃化转变温度 T Tg 然后两个指数方程简化为一个阿伦尼乌斯型方程 m A L T e Q H R T displaystyle mu A L T cdot e Q H RT nbsp 并且 Q H H d H m displaystyle Q H H d H m nbsp 其中Hd是断键的形成焓 称为configuron S 和Hm 是其运动焓 当温度低于玻璃化转变温度 T lt Tg 其黏度的活化能高因为非晶材料在玻璃态和大部分结合键是完整的 如果温度是高度以上的玻璃化转变温度 T Tg 两个指数方程也简化了一个阿伦尼乌斯型方程 m A H T e Q L R T displaystyle mu A H T cdot e Q L RT nbsp 而且 Q L H m displaystyle Q L H m nbsp 当温度高于玻璃化转变温度 T gt Tg 黏度的活化能低 因为非晶材料被熔化及其大部分结合键断裂 这有利于流动 其他物质 编辑 下表列出了一些牛顿流体的运动黏度 在100 kPa下 选定气体的黏度 mPa s Gas 在0 C 273 K 在27 C 300 K 8 空气 17 4 18 6氢气 8 4 9 0氦气 20 0氩气 22 9氙气 21 2 23 2二氧化碳 15 0甲烷 11 2乙烷 9 5不同组成液体的黏度 液体 黏度 Pa s 黏度 cP 血液 37 C 3 4 10 3 3 4蜂蜜 2 10 2 000 10 000糖浆 5 10 5 000 10 000熔融态玻璃 10 1 000 10 000 1 000 000巧克力酱 10 25 10 000 25 000熔融巧克力 45 130 9 45 000 130 000番茄酱 50 100 50 000 100 000猪油 100 100 000花生酱 250 250 000酥油 250 250 000液体的黏度 在25 C 除非另有说明 液体 黏度 Pa s 黏度 cP mPa s 丙酮 3 06 10 4 0 306苯 6 04 10 4 0 604蓖麻油 0 985 985玉米糖浆 1 3806 1380 6乙醇 1 074 10 3 1 074乙二醇 1 61 10 2 16 1甘油 在20 C 1 2 1200HFO 380 2 022 2022水银 1 526 10 3 1 526甲醇 5 44 10 4 0 544车用机油SAE 10 20 C 0 065 65车用机油SAE 40 20 C 0 319 319硝基苯 1 863 10 3 1 863液氮 77K 1 58 10 4 0 158丙醇 1 945 10 3 1 945橄榄油 8 1 10 2 81沥青 2 3 108 2 3 1011硫酸 2 42 10 2 24 2水 8 94 10 4 0 894固体的黏度 固体 黏度 温度 Pa s K 岩流圈 7 0 1019 900 C上地幔 0 7 1 0 1021 1300 3000 C下地幔 1 0 2 0 1021 3000 4000 C 这些材料是高濃度非牛顿型的 注 高浓度意味着更厚的物质 参见 编辑黏度的温度敏感性参考文献 编辑 Edgeworth R Dalton B J Parnell T The pitch drop experiment University of Queensland 2009 03 31 原始内容存档于2012 02 04 A copy of European Journal of Physics 1984 pp 198 200 陈惠钊 2003 2 中国计量出版出版社 修订版 北京 3 0 3 1 陈惠钊 1994 6 中国计量出版出版社 北京 Einstein A Ann Phys 1906 19 289 缺少或 title 为空 帮助 Thomas D G Transport characteristics of suspension VIII A note on the viscosity of Newtonian suspensions of uniform spherical particles J Colloid Sci 1965 20 3 267 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