[科普中國(guó)]-粘稠度

簡(jiǎn)介

在一般范圍內(nèi)，用粘稠度來(lái)形容液體粘稠的程度。具體來(lái)說(shuō)，主要用粘度來(lái)表征。粘度的介紹如下：通俗的講，粘度是通過(guò)物體在液體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)所受阻力來(lái)測(cè)定的（旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)）。如果物體在液體內(nèi)部以一定的速度運(yùn)動(dòng)所受阻力大，則液體粘度就比較大，反之亦然。還有一種方法也比較常用，是通過(guò)將液體流過(guò)同一個(gè)下部有孔的杯子（涂-2杯或涂-4杯）的時(shí)間來(lái)判斷粘度，時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明粘度越大，反之也亦然。

粘度的定義為一對(duì)平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體。今對(duì)上板施加一推力F，使其產(chǎn)生一速度變化du。由于液體的粘性將此力層層傳遞，各層液體也相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，形成一速度梯度du/dr，稱剪切速率，以r′表示。F/A稱為剪切應(yīng)力，以τ表示。剪切速率與剪切應(yīng)力間具有如下關(guān)系:(F/A)=η(du/dr)

此比例系數(shù)η即被定義為液體的剪切粘度(另有拉伸粘度，剪切粘度平時(shí)使用較多，一般不加區(qū)別簡(jiǎn)稱粘度時(shí)多指剪切粘度)，故η=(F/A)/(du/dr)=τ/r′。

影響粘度的因素：1.測(cè)定的誤差，如用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定時(shí)容器要足夠大和深，以免轉(zhuǎn)子和容器距離過(guò)近，器壁附近剪切力過(guò)大，引起粘度測(cè)定數(shù)據(jù)過(guò)大。2.溫度的影響。流體的粘度明顯受環(huán)境溫度的影響(壓力也有一定影響，但一般可忽略不計(jì))： 這種影響也是通過(guò)分子間的相互作用來(lái)實(shí)施的：通常的概念是溫度升高流體體積膨脹，分子間距離拉遠(yuǎn)，相互作用減弱，粘度下降；溫度降低，流體體積縮小，分子間距離縮短，相互作用加強(qiáng)，粘度上升。由于粘度與溫度關(guān)系密切，因此任何粘度數(shù)據(jù)都需注明測(cè)定時(shí)的溫度。通常在低溫區(qū)域溫度對(duì)粘度的效應(yīng)尤其顯著。 主要是這兩方面的影響。在測(cè)定粘度時(shí)一定要測(cè)定當(dāng)時(shí)的溫度，這樣的數(shù)據(jù)才有意義。就像測(cè)定氣體的密度一樣，一定要知道當(dāng)時(shí)的溫度和壓力。1

粘度單位動(dòng)態(tài)粘度μ

動(dòng)態(tài)粘度的物理單位:SI單位為poiseuille（Pl）,cgs單位為泊（P），該單位是以JeanLéonardMariePoiseuille命名的。poiseuille很少被使用，它相當(dāng)于帕斯卡· 秒（Pa·s）或（N·s）/ m或kg /（m·s）。如果流體被置于距離一的兩個(gè)板之間，一個(gè)板以剪切應(yīng)力為一個(gè)帕斯卡側(cè)向推動(dòng)，并使其以X每米每秒進(jìn)行移動(dòng)，那么它具有的粘度為1/X帕斯卡秒。例如，20℃下的水的粘度為1.002mPa·s，典型的機(jī)油可以具有約250mPa·s的粘度。實(shí)踐中使用的單位是Pa·s或下面提到的cgs單位泊。2

動(dòng)力粘度的cgs物理單位泊（P）也以Jean Poiseuille命名。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中，由于它等于SI的毫帕秒（mPa·s），所以更為普遍地將其表示為厘泊（cP）。例如，20℃下的水的粘度為1.002mPa·s = 1.002cP。

1 Pl = 1 Pa·s

1 P = 0.1Pa·s = 0.1kg·m·s

1cP = 1mPa·s = 0.001Pa·s = 0.001N·s·m= 0.001kg·m ·s。

運(yùn)動(dòng)粘度 v

運(yùn)動(dòng)黏度的SI單位為m^2/s，它的cgs單位為斯托克斯（St），以 George Gabriel Stokes的名字命名，在美國(guó)常被用作單數(shù)形式。

1St = 1cm·s= 10m·s.

1cSt = 1mm·s= 10m·s.

水在20°C的運(yùn)動(dòng)粘度大約10?6 m2·s?1或1cSt。運(yùn)動(dòng)粘度有時(shí)被稱為動(dòng)量的擴(kuò)散系數(shù)，因?yàn)樗愃朴跓岬臄U(kuò)散系數(shù)和質(zhì)量的擴(kuò)散系數(shù)。因此，在無(wú)量綱的數(shù)字中使用它來(lái)比較擴(kuò)散系數(shù)的比值。

流動(dòng)性

運(yùn)動(dòng)粘度的倒數(shù)為流動(dòng)性，它通常以φ=1/μorF=1/μ的形式來(lái)表示。該量很少用在工程領(lǐng)域，單位為1/P, 或者cm·s/g。流動(dòng)性的概念可以用來(lái)確定理想溶液的粘度。

常見(jiàn)的粘度數(shù)值空氣：空氣的粘度主要取決于溫度。在15°C,空氣的粘度是1.81×10?5kg/(m·s),18.1μPa·s或1.81×10?5 Pa·s。15°C的運(yùn)動(dòng)粘度是1.48×10?5m2/s或14.8cSt。在25°C,粘度是18.6μPa·s和運(yùn)動(dòng)粘度15.7cSt。

水：在大約25°時(shí)，水的動(dòng)態(tài)粘度是8.90×10?4 Pa·s或8.90×10?3dyn·s cm2或0.890 cPC。

作為溫度的函數(shù)T(開(kāi)爾文):μ= 10×B / C(T?),A= 2.414×10?5 Pa·s,B = 247.8 K C = 140 K。在不同溫度下，液體水的粘度如下圖所示。

其他動(dòng)態(tài)黏度如下：3

|| || 水在各種溫度下的粘度

|| || 氣體在100 kPa時(shí)的粘度（μPa·s）

|| || 具有不同成分的流體的粘度

|| || 液體粘度
（25℃時(shí)）

|| || 固體粘度

黏度的測(cè)定各國(guó)通常用的條件粘度有以下三種:

①恩氏粘度又叫恩格勒(Engler)粘度。是一定量的試樣，在規(guī)定溫度(如:50℃、 80℃、100℃)下，從恩氏粘度計(jì)流出200毫升試樣所需的時(shí)間與蒸餾水在20℃流出相同體積所需要的時(shí)間(秒)之比。溫度to時(shí)，恩氏粘度用符號(hào)Et表示，恩氏粘度的單位為條件度。

②賽氏粘度，即賽波特(sagbolt)粘度。是一定量的試樣，在規(guī)定溫度(如 100°F、210°F或122°F等)下從賽氏粘度計(jì)流出200毫升所需的秒數(shù)，以"秒"單位。賽氏粘度又分為賽氏通用粘度和賽氏重油粘度(或賽氏弗羅(Furol)粘度)兩種。

③雷氏粘度即雷德烏德(Redwood)粘度。是一定量的試樣，在規(guī)定溫度下，從雷氏度計(jì)流出50毫升所需的秒數(shù)，以"秒"為單位。雷氏粘度又分為雷氏1號(hào)(Rt表示)和雷氏2號(hào)(用RAt表示)兩種。

上述三種條件粘度測(cè)定法，在歐美各國(guó)常用，我國(guó)除采用恩氏粘度計(jì)測(cè)定深色潤(rùn)滑油及殘?jiān)屯?，其余兩種粘度計(jì)很少使用。三種條件粘度表示方法和單位各不相同，但它們之間的關(guān)系可通過(guò)圖表進(jìn)行換算。同時(shí)恩氏粘度與運(yùn)動(dòng)粘度也可換算，這樣就方便靈活得多了。4

粘度的測(cè)定有許多方法，如轉(zhuǎn)桶法、落球法、阻尼振動(dòng)法、杯式粘度計(jì)法、毛細(xì)管法等等。對(duì)于粘度較小的流體，如水、乙醇、四氯化碳等，常用毛細(xì)管粘度計(jì)測(cè)量;而對(duì)粘度較大流體，如蓖麻油、變壓器油、機(jī)油、甘油等透明(或半透明)液體，常用落球法測(cè)定;對(duì)于粘度為0.1~100Pa?s范圍的液體，也可用轉(zhuǎn)筒法進(jìn)行測(cè)定。

分類與計(jì)算粘度分為動(dòng)力粘度，運(yùn)動(dòng)粘度和條件粘度。將流動(dòng)著的液體看作許多相互平行移動(dòng)的液層, 各層速度不同,形成速度梯度(dv/dx),這是流動(dòng)的基本特征.(見(jiàn)圖) 由于速度梯度的存在,流動(dòng)較慢的液層阻滯較快液層的流動(dòng),因此.液體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力.為使液層維持一定的速度梯度運(yùn)動(dòng),必須對(duì)液層施加一個(gè)與阻力相反的反向力. 在單位液層面積上施加的這種力,稱為切應(yīng)力或剪切力τ(N/m2). 切變速率(D) D=d v /d x (S-1) 切應(yīng)力與切變速率是表征體系流變性質(zhì)的兩個(gè)基本參數(shù) 牛頓以圖4-1的模式來(lái)定義流體的粘度。兩不同平面但平行的流體，擁有相同的面積”A”，相隔距離”dx”，且以不同流速”V1”和”V2”往相同方向流動(dòng)，牛頓假設(shè)保持此不同流速的力量正比于流體的相對(duì)速度或速度梯度，即： τ= ηdv/dx =ηD（牛頓公式） 其中η與材料性質(zhì)有關(guān)，我們稱為“粘度”。