黏度
黏度(英語:),是黏性的程度,是材料的首要功能,也称动力粘度、粘(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18.5μPa·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,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1~10μPa·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 | |
---|---|
具有不同粘度的物質的模擬。右面的物質具有比左面的物質較高的粘度 | |
常見符號 | η, μ |
國際單位 | Pa·s = (N·s)/m2 = kg/(s·m) |
從其他物理量的推衍 | μ = G·t |
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。黏滯力是粘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,高粘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,因此有粘性。沒有阻力對抗剪切應力的流體被稱為理想流體或無粘流體。
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,为速度场在方向的分量,为与垂直的方向坐标。
产生
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
实际上,有两个量被称为黏度。一种被称为动态粘度、绝对粘度或简单粘度(来区别其他的量),但通常也称为粘度。另外一种量称为运动粘度(用符号ν表示),它是流体的粘度与密度的比值。
加工过程中,聚合物的流变性质主要表现为粘度的变化,根据流动过程中聚合物粘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——粘度μ为常数;非牛顿流体——表观粘度μ不为常数。
定义
剪切黏度
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。
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
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
牛顿流体
表观黏度与剪切速率无关的流动特性的流体(即服从牛顿粘性定律的流体)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),是一条通过原点的直线。牛顿流体的黏度是直线的斜率。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。黏度不同的流体,斜率不同。
非牛顿流体
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独立于应力的成为牛顿流体。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
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
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
动力黏度
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。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
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
从日常经验中,我们可以知道,粘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粘结变厚,严重影响汽车及其他机械的性能。一般来说,一种简单液体的粘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。气体的粘度随温度的升高而增大,且粘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,充分解释了气体粘度对温度的依赖性。
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%.
粘度与温度并不成线性关系,它与温度范围有关,温度越低,粘温关系越密切。又如,在0℃,20℃及100℃下,当ΔT=±1℃时,水的粘度变化,分别约为3.4%,2.5%及1.1%[2]。此外,气体与液体的粘度温度变化的规律完全相反,气体的粘度随温度升高而增大,因为气体的粘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。而液体的粘性来自分子引力,温度升高,分子间的距离加大,分子引力减小,内摩擦减弱,所以粘度减小。
粘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、粘流活化能、黏度大小等,例如通常液体的粘度越大,液体的粘度随温度的变化越大。
因为粘度是如此地依赖于温度,所以在描述粘度时离不开温度。
黏度与压力的关系
气体黏度与压强的关系
气体的粘度随压强的增大而增大,粘度与压强的关系可由公式()求得[3]。
液体黏度与压力的关系
液体粘度随压力的增加而增大,但远不如气体的粘度与压力的关系之密切。在500MPa(即5000大气压)下,液体粘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
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
空气
空气的粘度主要取决于温度。在15 °C时,空气的粘度是1.81×10−5 kg/(m·s), 18.1 μPa.s 或1.81×10−5 Pa.s。在15 °C时空气的运动粘度是1.48×10−5 m^2/s或14.8 cSt。在25 °C时,粘度是18.6 μPa.s和运动粘度是15.7 cSt。人们能从气体粘度计算器上得到气体粘度与温度的函数。
水
- 在25 °C时,水的动态粘度是8.90 × 10−4 Pa·s或 8.90 × 10−3 dyn·s/cm2 或0.890 cP。
- 在25℃时水的粘度是0.0091泊,或在20 °C时为1厘泊。
- 作为温度的函数, T(K): μ = A × 10B/(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粘度。
温度
[°C] |
粘度
[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
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。浆料的粘度可以被描述为相对的液相粘度:
在以上公式中,μs和μl分别是泥浆和液体的动力粘度(PA·S),μr是相对粘度(无量纲)
根据不同的固体颗粒的大小和浓度,存在几个模型,其描述相对粘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
在非晶材料的粘性流动(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。
在非晶材料的粘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 < 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:
其中,强硬的材料的RD < 2而脆性材料的RD ≥ 2。
非晶材料的粘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, 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:
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,其粘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,粘度的活化能低,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
下表列出了一些牛顿流体的运动粘度:
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 |
液体 | 粘度
[Pa·s] |
粘度
[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: | 粘度
[Pa·s] |
粘度
[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 | 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 |
水 | 8.94×10-4 | 0.894 |
固体 | 粘度
[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
参考文献
- Edgeworth,, R.; Dalton, B.J.; Parnell, T. . 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.
- 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
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为空 (帮助) - Thomas, D. G. . J. Colloid Sci. 1965, 20 (3): 267. doi:10.1016/0095-8522(65)90016-4.
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- "Handbook of Chemistry and Physics", 83rd edition, CRC Press, 2002.
- . Brookfield Engineering website. [2007-12-03]. (原始内容存档于2007-11-28).