什么是黏度?
科學(xué)定義
根據(jù)《牛津英語詞典》,黏度(Viscosity)在科學(xué)上指液體或氣體由于其內(nèi)部分子間的摩擦而抵抗相對運(yùn)動的能力,從而阻礙形狀變化。具體量化時,黏度可表示為:
絕對黏度(動態(tài)黏度):單位面積上抵抗流動的力(平行層以單位速度相對運(yùn)動時的阻力)。
運(yùn)動黏度:動態(tài)黏度除以流體密度。
黏度的本質(zhì)
黏度是衡量流體抵抗流動的物理量,其阻力源于流體分子間的吸引力。只有施加足夠能量克服這些力,流體才能流動。
當(dāng)物體在流體中運(yùn)動時,流體需繞過或穿過物體。因此,物體運(yùn)動所需的能量直接取決于流體的黏度——黏度越高,阻力越大。
在物理學(xué)中,物體在流體中的運(yùn)動常被描述為“剪切”(shear),即流體層間的相對滑移。
牛頓的黏度定義
英國物理學(xué)家艾薩克·牛頓(1642–1727)提出:在恒定溫度下,流體的黏度(μ或η)可通過以下關(guān)系式定義:
其中:
F<sub>d</sub>:面積為?A?的薄板以速度?v?在流體中運(yùn)動時受到的阻力。
d:薄板與參考面(如容器壁)的距離。
v/d:速度梯度(剪切率,記作?γ?)。
將阻力?F<sub>d</sub>?除以面積?A,得到剪切應(yīng)力(σ),最終黏度公式簡化為:
即:黏度 = 剪切應(yīng)力 / 剪切率。
牛頓流體 vs. 非牛頓流體
牛頓認(rèn)為黏度僅隨溫度變化,而與剪切率無關(guān)。符合這一規(guī)律的流體稱為牛頓流體(如水、酒精、稀機(jī)油),其黏度-剪切率曲線為直線:
但許多流體(非牛頓流體)的黏度會受剪切率或剪切持續(xù)時間影響,分為以下幾類:
假塑性流體(剪切稀化)
黏度隨剪切率增加而降低(如油漆、洗發(fā)水)。
脹塑性流體(剪切增稠)
黏度隨剪切率增加而升高(如沙水混合物)。
塑性流體(賓漢流體)
需施加臨界力(屈服值)才能流動,之后可能呈現(xiàn)牛頓或非牛頓特性(如番茄醬)。
觸變性與震凝性
某些流體的黏度會隨時間變化(即使剪切率恒定):
觸變性(Thixotropy):黏度隨時間降低(如防滴漏油漆、印刷油墨)。
震凝性(Rheopexy):黏度隨時間升高(較罕見)。
流變稀化(Rheomaiaxis):因結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致黏度下降。
總結(jié)
黏度是流體流動阻力的核心指標(biāo),牛頓流體遵循線性規(guī)律,而非牛頓流體的黏度可能隨剪切率、時間或應(yīng)力變化。理解這些特性對工業(yè)應(yīng)用(如涂料調(diào)配、燃油混合)至關(guān)重要。