什么是黏度?
科学定义
根据《牛津英语词典》,黏度(Viscosity)在科学上指液体或气体由于其内部分子间的摩擦而抵抗相对运动的能力,从而阻碍形状变化。具体量化时,黏度可表示为:
绝对黏度(动态黏度):单位面积上抵抗流动的力(平行层以单位速度相对运动时的阻力)。
运动黏度:动态黏度除以流体密度。
黏度的本质
黏度是衡量流体抵抗流动的物理量,其阻力源于流体分子间的吸引力。只有施加足够能量克服这些力,流体才能流动。
当物体在流体中运动时,流体需绕过或穿过物体。因此,物体运动所需的能量直接取决于流体的黏度——黏度越高,阻力越大。
在物理学中,物体在流体中的运动常被描述为“剪切”(shear),即流体层间的相对滑移。
牛顿的黏度定义
英国物理学家艾萨克·牛顿(1642–1727)提出:在恒定温度下,流体的黏度(μ或η)可通过以下关系式定义:
其中:
F<sub>d</sub>:面积为 A 的薄板以速度 v 在流体中运动时受到的阻力。
d:薄板与参考面(如容器壁)的距离。
v/d:速度梯度(剪切率,记作 γ̇)。
将阻力 F<sub>d</sub> 除以面积 A,得到剪切应力(σ),最终黏度公式简化为:
即:黏度 = 剪切应力 / 剪切率。
牛顿流体 vs. 非牛顿流体
牛顿认为黏度仅随温度变化,而与剪切率无关。符合这一规律的流体称为牛顿流体(如水、酒精、稀机油),其黏度-剪切率曲线为直线:
但许多流体(非牛顿流体)的黏度会受剪切率或剪切持续时间影响,分为以下几类:
假塑性流体(剪切稀化)
黏度随剪切率增加而降低(如油漆、洗发水)。
胀塑性流体(剪切增稠)
黏度随剪切率增加而升高(如沙水混合物)。
塑性流体(宾汉流体)
需施加临界力(屈服值)才能流动,之后可能呈现牛顿或非牛顿特性(如番茄酱)。
触变性与震凝性
某些流体的黏度会随时间变化(即使剪切率恒定):
触变性(Thixotropy):黏度随时间降低(如防滴漏油漆、印刷油墨)。
震凝性(Rheopexy):黏度随时间升高(较罕见)。
流变稀化(Rheomaiaxis):因结构破坏导致黏度下降。
总结
黏度是流体流动阻力的核心指标,牛顿流体遵循线性规律,而非牛顿流体的黏度可能随剪切率、时间或应力变化。理解这些特性对工业应用(如涂料调配、燃油混合)至关重要。