什么是粘度？

流体的粘度是其流动阻力的量度。 它描述了运动流体的内部摩擦。 粘性流体抵抗运动，因为它们的分子构成会产生大量的内部摩擦。 具有低粘度的流体很容易流动，因为它们的分子构成在运动时几乎不会产生摩擦。

在分子水平上，粘度是由流体中不同分子之间的相互作用引起的。 这也可以认为是分子之间的摩擦。 就像移动固体之间的摩擦一样，粘度将决定使流体流动所需的能量。

形象化的最好方法是通过一个例子。 考虑一个由泡沫塑料制成的杯子，底部有一个孔。 我注意到当我们将蜂蜜倒入杯子中时，杯子会非常缓慢地流失。 这是因为与其他液体相比，蜂蜜的粘度相对较高。 例如，当我们在同一个杯子里装满水时，水会流失得更快。 低粘度的流体被称为“稀”，而高粘度的流体被称为“稠”。 通过低粘度流体（如水）比通过高粘度流体（如蜂蜜）更容易。

影响粘度的因素

粘度受许多因素影响。 例子包括温度、压力和其他分子的添加。 压力对液体的影响很小，经常被忽略。 添加分子可以产生显着的效果。 例如，糖会使水变得更粘稠。

然而，温度对粘度的影响最大。 液体中的温度升高会降低粘度，因为它为分子提供了足够的能量来克服分子间的吸引力。 温度对粘度的影响与气体相反。 随着气体温度升高，粘度增加。 气体粘度不受分子间吸引力的显着影响，而是受到温度升高的影响，这会导致更多的分子发生碰撞。

动态和动力学粘度

有两种方法可以报告粘度。 绝对或 动态粘度 是流体流动阻力的量度，而 运动粘度 是动态粘度与流体密度的比值。 虽然这种关系很简单，但重要的是要记住具有相同动态粘度值的两种流体可能具有不同的密度，从而不同的运动粘度值。 当然，动态粘度和运动粘度有不同的单位。

粘度单位

粘度的 SI 单位是牛顿-秒每平方米 (N·s/m2)。 但是，您经常会看到以帕斯卡-秒 (Pa·s)、千克每米每秒 (kg·m−1·s−1)、泊 (P 或 g·cm−1·s−) 表示的粘度1 = 0.1 Pa·s) 或厘泊 (cP)。 这使得水在 20 °C 时的粘度约为 1 cP 或 1 mPa·s。

在美国和英国的工程中，另一个常用单位是磅-秒每平方英尺 (lb·s/ft2)。 另一种等效单位是磅力秒每平方英尺 (lbf·s/ft2)。

动态粘度单位

泊（符号：P）

Poise（符号：P） 以法国医生 Jean Louis Marie Poiseuille (1799–1869) 命名，这是粘度的 CGS 单位，相当于每平方厘米达因秒。 它是一种流体的粘度，其中每平方厘米 1 达因的切向力在相距 1 厘米的两个平行平面之间保持每秒 1 厘米的速度差。 即使对于高粘度流体，该单位最常以厘泊 (cP) 的形式出现，即 0.01 泊。 许多日常液体的粘度在 0.5 到 1000 cP 之间

帕斯卡-秒（符号：Pa·s）

这是粘度的 SI 单位，相当于每平方米牛顿-秒 (N·sm–2)。 它有时被称为“泊肃叶”（Pl）。 一泊正好是 0.1 Pa·s。 10 泊等于 1000 泊或 1 cP，而 1 cP = XNUMX mPa·s（一毫帕秒）。

运动粘度单位

斯托克斯（符号：St）

这是 cgs 单位，相当于平方厘米每秒。 一斯托克斯等于以泊为单位的粘度除以以 g cm-3 为单位的流体密度。 最常见的是厘沲 (cSt) (= 0.01 斯托克斯)。

赛博特秒针通用

这是 60 ml 流体在 ASTM D 88 测试方法规定的运动粘度指定温度下流过 Saybolt Universal 粘度计的校准孔的时间。对于更高的粘度，使用 SSF（Saybolt Seconds Furol）。

粘度公式

两板间流动的基本模型 [1]

外力之比（F) 到受影响的区域 (A) 被定义为 剪应力 (σ):

σ = F/A

 剪切应变 (γ) 定义为外力引起的材料长度的相对变化：

γ = l/l₀

剪应力之比 (σ) 和剪切应变 (γ) 被定义为 系数 (G):

G = σ/ γ

如果图 1 中的顶板以一定的速度运动 (v), 速度梯度 dv/dx 被定义为 剪切速率 (γ̇）。 制定运动定律和万有引力定律的艾萨克·牛顿爵士发现，在理想流体（称为牛顿流体）中，剪切应力 (σ) 与剪切速率 (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

牛顿和非牛顿流体

牛顿流体，正如他们所说的那样，具有恒定的粘度。 当你增加力量时，阻力会增加，但它是成比例的增加。 无论对牛顿流体施加多大的力，它都会像流体一样发挥作用。 一种 牛顿流体 是一种遵循牛顿摩擦定律的流体，其中粘度与应变率无关。

无论剪切速率或搅拌如何变化，粘度都保持不变。 随着泵速的增加，流量按比例增加。 表现出牛顿行为的液体包括水、矿物油、糖浆、碳氢化合物和树脂。

非牛顿流体

A 非牛顿流体 是不符合牛顿摩擦定律的。 大多数流体系统，不是牛顿的（称为 非牛顿流体) 并且它们的粘度不是恒定的，而是随着施加的剪切速率的增加或减少而变化。

许多流体的粘度随着剪切速率的增加而降低。 这些液体被称为 假塑性流体. 这些系统中流体的“结构”由于外力而被破坏，导致 剪切变稀 行为。 如果最初的粒子间（或分子）缔合很强，则系统可能表现得像静止的固体。 克服内力和破坏结构所需的初始剪应力定义为 产值 系统的。 表现出屈服值，然后随着剪切速率的增加表现出剪切变稀的材料被定义为 塑料流体. 一些流体的粘度随着剪切速率的增加而增加，这种现象称为 剪切增稠. 这些材料被定义为 膨胀流体.

作为剪切速率函数的剪切应力 [1]

粘度作为剪切速率的函数 [1]

随时间变化的流动行为：触变性

当去除外力时，复杂的流体会随着时间的推移重新排列。 因此，粘度不仅应该通过在结构破裂时增加剪切速率来测量，而且还应该通过在系统重新建立自身时降低剪切速率来测量。 这称为滞后。

在快速恢复中，粘度与剪切速率下降的关系图将叠加在粘度与剪切速率上升的关系曲线上。 如果流体需要时间来恢复其结构，则“下降曲线”将低于“上升曲线”。 触变性 被定义为随着剪切速率的增加表现出剪切变稀和随着剪切速率的降低呈现较慢的恢复。 在 非触变的 材料，“向上”和“向下”曲线重叠并在 变质的 材料，“下降”曲线高于“上升”曲线。

但是，虽然触变流体有时会被误认为是假塑性流体，流变流体有时会被误认为是膨胀流体，但这两种类型的流体在一个关键方面有所不同：时间依赖性。 膨胀流体和假塑性流体的粘度相对于应力的变化与时间无关。 但是对于触变流体，施加应力的时间越长，粘度就会随着应力的增加而降低。 对于流变流体也是如此，随着所述应力施加的时间越长，粘度随着应力的增加而增加。

我们在日常生活中使用了很多表现出触变行为的产品。 触变性解释了为什么个人护理产品（如发胶和牙膏）在挤压时会从液体变为固体，但之后会恢复到固体状态以保持其形状。 与时间相关的结构分解和再生的流变特性决定了产品的质量。

粘度作为剪切速率的函数——触变性和非触变性行为（箭头表示剪切速率增加或减少）[1]

随时间变化的应力粘度（触变性与流变行为）[2]

粘度在日常生活中的重要性

在许多不同的领域，粘度实际上非常有用，尽管它在日常生活中似乎并不重要。 例如：

• 车辆润滑。当您在汽车或卡车中加油时，应考虑其粘度。 这是因为粘度会影响摩擦，而摩擦会影响热量。 此外，粘度会影响机油消耗率以及车辆在冷热条件下启动的难易程度。 一些油的粘度在加热和冷却时保持不变，而另一些则在加热时变稀，在炎热的夏日驾驶汽车时会出现问题。
• 在食物的制备和供应中，粘度起着重要作用。 许多食用油在冷却后变得更加粘稠，而其他食用油可能根本不会改变粘度。 由于脂肪在加热时是粘稠的，因此在冷却时会变成固体。 酱汁、汤和炖菜的粘度在不同的菜肴中也很重要。 稀释后，浓稠的土豆和韭菜汤就变成了法式维希索酱。 例如，蜂蜜非常粘稠，可以改变某些食物的“口感”。
• 制造中的设备需要适当润滑才能平稳运行。 管道可能会被粘性润滑剂堵塞和堵塞。 稀薄的润滑剂对运动部件的保护不足。
• 静脉注射液体时，粘度至关重要。 一个主要问题涉及血液粘度：太粘稠的血液会形成内部凝块，而太稀的血液不会凝结，导致危险的失血甚至死亡。

一些典型的粘度