黏度

黏度為4～15mPa·s，橄欖油為102mPa·s，蓖麻油為103mPa·s，蜂蜜為104mPa·s，焦油為106mPa·s，瀝青為108mPa·s，等等。最普通的液體黏度大致在1～1000mPa·s，氣體的黏度大致在1～10μPa·s。一些像黃油或人造黃油的脂肪很黏，更像軟的固體，而不是流動液體。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，黏滯力越低有一定的抗壓力，因此有黏性。沒有阻力對抗剪下應力的流體被稱為理想流體或無黏流體。黏度formula_1定義為流體承受剪應力時，剪應力與流體單位速度差的比值，數學表述為：formula_2式中：formula_3為剪應力，formula_4為速度場在formula_5方向的分量，formula_6為與formula_5垂直的方向座標。產生.流體的黏度是由於相鄰層間以不同的速度運動時產生的摩擦造成的。管中心處阻力最小，液層流動速度最大；管壁附近液層同時受到液體黏性阻力和管壁摩擦力作用，速度最小，在管壁上液層的移動速度為零需要克服摩擦層之間阻力，來保持流體流動。同樣的速度模式，應力應正比於流體的黏度。分類.實際上，有兩個量被稱為黏度。一種被稱為動態黏度、絕對黏度或簡單黏度，它是流體的黏度與密度的比值。加工過程中，聚合物的流變性質主要表現為黏度的變化，根據流動過程中聚合物黏度與應力或應變速率的關係，將聚合物的流動行為分為：牛頓流體——黏度μ為常數；非牛頓流體——表觀黏度μ不為常數。定義.剪下黏度.是兩個板塊之間流體的層流剪下。而流體和移動邊界之間的摩擦導致了流體剪下，描述這種行為強度的是流體的黏度。在一般的平行流動中如果頂板的速度足夠小，流體粒子將平行於它流動，並且它們的速度從底部的0到頂部的ν呈線性變化。流體的每一層流動速度快於它的下一層，它們之間會產生一個抵抗它們相對運動的摩擦力。特別是，流體將在頂板運動的反方向施加一個力，在底板也會產生一個等大反向的力。因此需要一個外力來維持頂板以恆定的速度運動。力F的大小正比於每塊板的運動速度u和麵積A，而反比於兩板之間的距離，即formula_8在這個公式中，比例係數formula_1是流體的黏度；formula_10的比值稱為剪下變形或剪下速度，是垂直於板的速度上流體速度的導數。牛頓用微分方程表達出了剪下應力：formula_2這個公式假設流動是沿著平行線的，並且垂直於流動方向的y軸指向最大剪下速度。這個方程可以用於速度非線性變化的情況，比如在流體流經管道中時的情況。運動黏度.運動黏度是剪下黏度μ除以液體的密度ρ，通常用希臘字母ν表示。方便研究雷諾數。formula_12formula_13體積黏度.一個可壓縮流體被均勻壓縮或擴充套件時，沒有剪下，但它仍然以內部摩擦的形式表現來抵制它的流動。這些力的一個與壓縮或膨脹率有關的因素σ，稱為體積黏度，或第二黏度。只有當流體被迅速壓縮或擴充套件時，如聲音和衝擊波，體積黏度顯得很重要。體積黏度解釋了這些波的能量損失，正如斯托克斯的聲衰減規律所描述的。黏度張量.在一般情況下，流動中的應力可部分歸因於從休息狀態的材料的變形，給出了黏性應力張量。 一般，黏度張量具有九個獨立的自由度。各向同性的牛頓流體，這可以減少到兩個獨立的引數。最常見的是，應力黏度μ和本體黏度σ。牛頓流體與非牛頓流體.牛頓流體.表觀黏度與剪下速率無關的流動特性的流體稱為牛頓流體。黏性定律是一個本構方程，而不是一個自然法則。一種流體的行為符合牛頓定律，黏度μ獨立於應力的稱為牛頓流體。氣體，水和許多常見的液體可以在普通的條件和環境考慮為牛頓流體。牛頓流體的流動曲線，是一條透過原點的斜直線，該條斜直線的斜率即是該牛頓流體的黏度，斜率不同，黏度不同。對於同一流體，在任何剪下速率下，黏度相同，與剪下速率無關。非牛頓流體.表觀黏度隨剪下速率而變化。它不再是物性常數，但它與牛頓黏度同量綱。黏性定律是一個本構方程，而不是一個自然法則。一種流體的行為符合牛頓定律，黏度μ獨立於應力的稱為牛頓流體。氣體，水和許多常見的液體可以在普通的條件和環境考慮為牛頓流體。有許多明顯偏離牛頓定律的非牛頓流體，比如：即使是牛頓流體，黏度通常取決於其組成和溫度。氣體等可壓縮性流體，這取決於溫度，而隨壓力變化很慢。一些流體的黏度可能取決於其他因素。例如磁流變流體，流體在加磁場後變厚，可能會表現得像固體點。溶液黏度.對於溶液，常用到以下幾種黏度。相對黏度的黏度η0之比，即：formula_14增比黏度黏度的η0除得之商，即：formula_15比濃黏度的增比濃度，即：formula_16比濃對數黏度的濃度除得之商，即：formula_17特性黏度是濃度趨於零時比濃黏度的極限值，即：formula_18固體黏度.在流體流動中所產生的黏性力不能與在固體中對剪下、壓縮或拉伸產生的回覆彈性力相混淆。後者的應力是與形變數成比例的，而在流體中與形變隨時間的變化率成比例。然而，許多液體，即黏彈性。黏彈性固體可能表現出壓力黏性和體積黏性。拉伸黏度的剪下和體積黏度，描述了一個固體彈性材料的伸長率的反應的一個線性組合，它廣泛用於表徵聚合物。在地質學中，具有黏性變形至少三倍於彈性變形的稀土材料有時被稱為流變體。單位.動力黏度.黏度的國際單位制是帕斯卡·秒[Pa·s]，有時也使用以法國生理學家吉恩·路易斯·泊肅葉命名的泊[P]。十個泊等於一個帕斯卡·秒。1Pa·s = 10P實際上，有兩個量被稱為黏度。上面所定義的量有時被稱為動態黏度、絕對黏度或簡單黏度，它是流體的黏度與密度的比值：formula_19運動黏度.運動黏度是在重力影響下，衡量抵制液體流動的量。它的測量裝置通常被稱為毛細管黏度計——基本上是底部有一個狹窄管的有刻度的筒。當兩種體積相同的液體放置在相同的毛細管中，並且可以在重力的影響下流動，那麼在流過管道時，黏性流體花費的時間比少黏性流體花費的時間要長。運動黏度的SI單位是平方米/秒，沒有特別的名字。由於這個單位太大，很少使用。一個更常見的運動黏度單位是平方釐米/秒，這是考慮到以愛爾蘭的數學家和動物學家喬治·加布裡埃爾·斯托克斯。這個單位也有點大，所以最常見的單位可能是平方毫米/秒，或釐司。1 m2／s= 10，000 [stokes]= 1，000，000 [centistokes]1 cm2／s＝1 stokes1 mm2／s＝1 centistokes黏度與溫度的關係.從日常經驗中，我們可以知道，黏度隨著溫度的變化而變化。如，蜂蜜和糖漿在加熱時更容易流動；在冬季天氣變冷時，發動機潤滑油和液壓液明顯黏性變高，嚴重影響汽車及其他機械的效能。一般來說，一種簡單液體的黏度隨溫度的升高而下降，隨著溫度的升高，液體中分子中運動的平均速度增大，與臨近分子的接觸時間變短。確切地說，兩個變數的變化是非線性的，當有相變發生時，變數發生突變。加熱時，液體更易流動，氣體變稠。氣體的黏度隨溫度的升高而增大，且黏度正比於溫度的平方根。這是由於在更高的溫度下，增大了分子間碰撞的頻率。因為氣體中的分子大部分時間是在空間自由運動，任何增加一個分子與另一個分子接觸時間的因素，都會降低分子作為一個整體參與協調運動的能力。這類分子彼此發生碰撞，運動變得更加的雜亂無章，充分解釋了氣體黏度對溫度的依賴性。黏度與溫度的關係非常密切，在常溫常壓下，當溫度變化1℃時，液體的黏度變化達百分之幾至十幾，氣體約為千分之幾，例如在℃時有Δη水≈±2.5%；Δη礦物油≈±3%～±10%；Δη矽油≈±2%～±3%；Δη聚異丁烯≈±10%；Δη空氣≈±0.3%.黏度與溫度並不成線性關係，它與溫度範圍有關，溫度越低，黏溫關係越密切。又如，在0℃，20℃及100℃下，當ΔT=±1℃時，水的黏度變化，分別約為3.4%，2.5%及1.1%。此外，氣體與液體的黏度溫度變化的規律完全相反，氣體的黏度隨溫度升高而增大，因為氣體的黏性是由於動量傳遞所致，當溫度升高時，分子的熱運動加劇，動量增大，流層間的內摩擦加劇，所以黏度增大。而液體的黏性來自分子引力，溫度升高，分子間的距離加大，分子引力減小，內摩擦減弱，所以黏度減小。黏度隨溫度變化的程度還與許多因素有關，例如物質的化學組成、黏流活化能、黏度大小等，例如通常液體的黏度越大，液體的黏度隨溫度的變化越大。因為黏度是如此地依賴於溫度，所以在描述黏度時離不開溫度。黏度與壓力的關係.氣體黏度與壓強的關係.氣體的黏度隨壓強的增大而增大，黏度與壓強的關係可由公式求得。液體黏度與壓力的關係.液體黏度隨壓力的增加而增大，但遠不如氣體的黏度與壓力的關係之密切。在500MPa表示。普通液體在0.1MPa附近，每增加0.1MPa壓力時，黏度增加約0.1%～0.3%。對於黏度η&gt;1.2mPa·s的液烴，可用庫澤爾式來計算高壓下的黏度值。黏度的測量.測量黏度的有各種黏度計和流變儀。流變儀用於流體的黏度不能用單個黏度值定義的情況 ，因此要比黏度計需要更多的引數設定和測量。封閉的流體溫度控制是準確測量所必備的，特別是像潤滑油的黏度，僅變化5℃可翻倍。一些流體，在較寬的剪下速率範圍內，黏度是恆定的不能由單一的數字來描述。非牛頓流體表現出剪下應力和剪下速率之間各種不同的相關性。目前用得最廣泛的主要有毛細管黏度計，旋轉黏度計，落球黏度計和錐板黏度計等幾種，這些儀器可以測量10-2～1012泊的黏度。各種黏度計所適應的剪下速率範圍不同。擠出式毛細管黏度計通常可在10-1～106與實際加工條件非常接近的剪下速率範圍使用；轉動式黏度計可用於剪下速率在10-3～10的範圍，而球式黏度計只能在很低的剪下速率範圍內使用。某些特定物質的黏度.空氣.空氣的黏度主要取決於溫度。在15 °C時，空氣的黏度是1.81×10−5 kg/(m·s), 18.1 μPa.s 或1.81×10−5 Pa.s。在15 °C時空氣的運動黏度是1.48×10−5 m^2/s或14.8 cSt。在25 °C時，黏度是18.6 μPa.s和運動黏度是15.7 cSt。人們能從氣體黏度計算器上得到氣體黏度與溫度的函式。水.其中"A"=2.414 × 10−5 Pa·s ; "B" = 247.8 K ; and "C" = 140 K。泥漿.這一術語懸浮液描述的是保持著流動性的液體和固體顆粒的混合物。漿料的黏度可以被描述為相對的液相黏度：formula_22在以上公式中，"μs"和"μl"分別是泥漿和液體的動力黏度根據不同的固體顆粒的大小和濃度，存在幾個模型，其描述相對黏度的固體顆粒的並具有體積分數"ɸ"功能。在極低濃度的細顆粒的情況下，愛因斯坦方程可以使用：formula_23在高濃度的情況下，由Guth and Simha提出修改後的方程，其考慮固體顆粒之間的相互作用，這個方程的進一步改進由托馬斯從實證資料的擬閤中提出。formula_24其中"A = 0.00273" and "B = 16.6"在非常高的濃度下，另一個經驗方程透過Kitano "等人提出。":formula_25其中對於光滑的球形顆粒"A = 0.68"。非晶態材料.在非晶材料的黏性流動是一個熱啟用過程：formula_26其中"Q"是活化能, "T"是溫度, "R"為摩爾氣體常數和"A"近似為一常。在非晶材料的黏性流動的特點與阿倫尼烏斯式行為有偏差：在高溫下的較高值"QH"到一個較高溫度下的較低值"QL"。根據這一變化，來劃分非晶材料。非晶材料的脆性是數值特徵的多雷米的脆弱性比：formula_27其中，強硬的材料的"RD"  "Tg"，黏度的活化能低，因為非晶材料被熔化及其大部分結合鍵斷裂，這有利於流動。其他物質.下表列出了一些牛頓流體的運動黏度：