[科普中國]-剪切黏度

剪切黏度（shear viscosity），即穩(wěn)流狀態(tài)下剪切應(yīng)力與剪切速率之比。單位為帕*秒(Pa*S)。剪切黏度是液體分子內(nèi)摩擦的量度，也是物體黏流性質(zhì)的一項具體反映。剪切粘度與拉伸黏度相比較常用。一般簡稱黏度時就是指剪切黏度。

定義粘度是物質(zhì)的一種物理化學(xué)性質(zhì)，定義為一對平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體；今對上板施加一推力F，使其產(chǎn)生一速度變化度所需的力。由于粘度的作用，使物體在流體中運(yùn)動時受到摩擦阻力和壓差阻力，造成機(jī)械能的損耗（見流動阻力）。剪切黏度是液體分子內(nèi)摩擦的量度，也是物體黏流性質(zhì)的一項具體反映。剪切粘度與拉伸黏度相比較常用。一般簡稱黏度時就是指剪切黏度。1

定義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，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，剪切粘度平時使用較多，一般不加區(qū)別簡稱粘度時多指剪切粘度），故η=（F/A）/（du/dr）=τ/r′。

將兩塊面積為1㎡的板浸于液體中，兩板距離為1米，若在某一塊板上加1N的切應(yīng)力，使兩板之間的相對速率為1m/s,則此液體的粘度為1Pa·s。

牛頓流體：符合牛頓公式的流體。 粘度只與溫度有關(guān)，與切變速率無關(guān)， τ與D為正比關(guān)系。 非牛頓流體：不符合牛頓公式τ/D=f（D），以ηa表示一定（τ/D）下的粘度，稱表觀粘度。

粘度隨溫度的不同而有顯著變化，但通常隨壓力的不同發(fā)生的變化較小。液體粘度隨著溫度升高而減小，氣體粘度則隨溫度升高而增大。對于溶液，常用相對粘度μr表示溶液粘度μ和溶劑粘度μ之比，即：

相對粘度與濃度C的關(guān)系可表示為：

μr=1+[μ]C+K′[μ]C+…

式中[μ]為溶液的特性粘度，

K′為系數(shù)。[μ]、K′均與濃度無關(guān)。

不同流體的粘度差別很大。在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20℃的條件下，空氣、水和甘油的動力粘度和運(yùn)動粘度為：

空氣 μ=17.9×10-6Pa·s， v=14.8×10-6m2/s

水 μ=1.01×10-3Pa·s， v=1.01×10-6m2/s

甘油 μ=1.499Pa·s， v=1.19×10-3m2/s

各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實驗測得。常用的粘度計有毛細(xì)管式、落球式、錐板式、轉(zhuǎn)筒式等。在工業(yè)上有時用特定形式的粘度計來測定特定的條件粘度。如煉油工業(yè)中常用恩氏粘度（或恩格拉粘度）作為石油產(chǎn)品的一個指標(biāo)，它表示某一溫度下200cm3油品與同體積20℃純水，從恩氏粘度計中流出所需時間之比。恩氏粘度與動力粘度的關(guān)系可按經(jīng)驗公式換算。又如橡膠工業(yè)中常用門尼粘度為衡量橡膠平均分子量及可塑性的一個指標(biāo)。

在缺少粘度實驗數(shù)據(jù)時，可按理論公式或經(jīng)驗公式估算粘度。對于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)；對于液體則較差。對非均相流體（如低濃度懸浮液）的粘度，可以用愛因斯坦公式估算：

式中μm為懸浮液的粘度；μ為連續(xù)相液體的粘度；φ為懸浮液中分散相的體積分?jǐn)?shù)；μd為分散相粘度。當(dāng)分散相為固體顆粒時，μd→無窮大；當(dāng)分散相為氣泡時，μd→0，μm=(1+φ)μ。

粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動力對其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示。粘度大表現(xiàn)內(nèi)摩擦力大，分子量越大，碳?xì)浣Y(jié)合越多，這種力量也越大。 粘度對各種潤滑油、質(zhì)量鑒別和確定用途，及各種燃料用油的燃燒性能及用度等有決定意義。在同樣餾出溫度下，以烷烴為主要組份的石油產(chǎn)品粘度低，而粘溫性較好，即粘度指數(shù)較高，也就是粘度隨溫度變化而改變的幅度較?。缓h(huán)烷烴（或芳烴）組份較多的油品粘度較高，即粘溫性較差；含膠質(zhì)和芳烴較多油品粘度最高，粘溫性最差，即粘度指數(shù)最低。 粘度常用運(yùn)動粘度表示，單位mm2/s。重質(zhì)燃料油粘度大，經(jīng)預(yù)熱使運(yùn)動粘度達(dá)到18~20mm2/s（40℃），有利于噴油嘴均勻噴油。1

單位換算表動力粘度單位換算

1泊（1P）=100厘泊（100cP）

1厘泊（1cP）=1毫帕斯卡·秒（1mPa·s）

1毫帕斯卡·秒（1mPa·s）=1000微 帕斯卡·秒（1000μ Pa.s）

動力粘度與運(yùn)動粘度的換算

μ=ν·ρ

式中μ－－- 試樣動力粘度（mPa·s）

ν－－- 試樣運(yùn)動粘度（mm2/s）

ρ－－- 與測量運(yùn)動粘度相同溫度下試樣的密度（g/cm3）1

測定動力ηt是二液體層相距1cm，其面積各為1（cm2）相對移動速度為1cm/s時所產(chǎn)生的阻力，單位為g/cm·s。1g/cm·s=0.1pa·s。一般工業(yè)上動力粘度單位用pa來表示。

運(yùn)動在溫度t（℃）時，運(yùn)動粘度用符號γ表示，在國際單位制中，運(yùn)動粘度單位為斯，即每秒平方米（m2/s），實際測定中常用厘斯，cst表示厘斯的單位為每秒平方毫米（即 1cst=1mm2/s）。運(yùn)動粘度廣泛用于測定噴氣燃料油、柴油、潤滑油等液體石油產(chǎn)品深色石油產(chǎn)品、使用后的潤滑油、原油等的粘度，運(yùn)動粘度的測定采用逆流法。

條件指采用不同的特定粘度計所測得的以條件單位表示的粘度，各國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，從恩氏粘度計流出200毫升試樣所需的時間與蒸餾水在20℃流出相同體積所需要的時間(秒)之比。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)定溫度下從賽氏粘度計流出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（Rt表示）和雷氏2號（用RAt表示）兩種。

上述三種條件粘度測定法，在歐美各國常用，我國除采用恩氏粘度計測定深色潤滑油及殘渣油外，其余兩種粘度計很少使用。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)系可通過圖表進(jìn)行換算。同時恩氏粘度與運(yùn)動粘度也可換算，這樣就方便靈活得多了。

粘度的測定有許多方法，如轉(zhuǎn)桶法、落球法、阻尼振動法、杯式粘度計法、毛細(xì)管法等等。對于粘度較小的流體，如水、乙醇、四氯化碳等，常用毛細(xì)管粘度計測量；而對粘度較大流體，如蓖麻油、變壓器油、機(jī)油、甘油等透明（或半透明）液體，常用落球法測定；對于粘度為0.1～100范圍的液體，也可用轉(zhuǎn)筒法進(jìn)行測定。2

絕對粘度1、動力粘度η：在流體中取兩面積各為1m2，相距1m，相對移動速度為1m/s時所產(chǎn)生的阻力稱為動力粘度。單位Pa.s（帕.秒）。過去使用的動力粘度單位為泊或厘泊，泊（poise）或厘泊為非法定計量單位。

1Pa.s=1N.s/m2=10P泊=103cp=1Kcps
ASTM D445標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用運(yùn)動粘度來計算動力粘度，即η=υ*ρ，式中 η-動力粘度，Pa.s；ρ-密度，kg/m3；υ-運(yùn)動粘度，m2/s。我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T506-82為潤滑油低溫動力粘度測定法。該法使用于測定潤滑油和深色石油產(chǎn)品的低溫（0～-60℃）動力粘度。在嚴(yán)格控制溫度和不同壓力條件下，測定一定體積的試樣在已標(biāo)定常數(shù)的毛細(xì)管粘度計內(nèi)流過所需的時間，秒。由試樣在毛細(xì)管流過的時間與毛細(xì)管標(biāo)定常數(shù)和平均壓力的乘積，計算動力粘度，單位為Pa.s。該方法重復(fù)測定兩個結(jié)果的差數(shù)不應(yīng)超過其算術(shù)平均值的±5%。

2、運(yùn)動粘度υ：流體的動力粘度η與同溫度下該流體的密度ρ的比值稱為運(yùn)動粘度。它是這種流體在重力作用下流動阻力的度量。在國際單位制（SI）中，運(yùn)動粘度的單位是m2/s。過去通常使用厘斯（cSt）作運(yùn)動粘度的單位，它等于10-6m2/s，（即1cSt=1mm2/s）。

運(yùn)動粘度通常用毛細(xì)管粘度計測定。在嚴(yán)格的溫度和可再現(xiàn)的驅(qū)動壓頭下，測定一定體積的液體在重力作用下流過標(biāo)定好的毛細(xì)管粘度計的時間，為了測準(zhǔn)運(yùn)動粘度，首先必須控制好被測流體的溫度，測溫精度要求達(dá)到0.01℃；其次必須選擇恰當(dāng)?shù)拿?xì)管的尺寸，保證流出時間不能太長也不能太短，即粘稠液體用稍粗些的毛細(xì)管，較稀的液體用稍細(xì)的毛細(xì)管，流動時間應(yīng)不小于200秒；須定期標(biāo)定粘度管常數(shù)；而且安裝粘度管時必須保持垂直。運(yùn)動粘度國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T256-88，相當(dāng)于ASTM D445-96/IP71/75。2

比粘度比粘度是一個物理學(xué)的概念，在很多方面都能用到 。液體在外力作用下流動時，分子間的內(nèi)聚力阻礙分子間的相對運(yùn)動而產(chǎn)生一種內(nèi)摩擦力，液體的這種性質(zhì)叫做液體的粘性。其特點是：只有在流動時液體才表現(xiàn)出粘性，靜止液體(液體質(zhì)點間沒有相對運(yùn)動的液體)是不呈現(xiàn)粘性的。

表示方法有三種：

①絕對粘度η，其單位為帕·秒——Pa-s，1Pa-s=1N-SAIl20

②運(yùn)動粘度ν，這是液體的絕對粘度與其密度的比值。

運(yùn)動粘度的單位，實際中習(xí)慣用厘斯cSt。

③相對粘度（條件粘度）。我國、前蘇聯(lián)、德國采用的是恩氏粘度E;美國用賽氏粘度SSU；英國用雷氏粘度"R（或Re·1）。2

其他概念實驗室測定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肅葉公式導(dǎo)出有關(guān)粘滯系數(shù)的表達(dá)式，求得粘滯系數(shù)。 粘度的大小取決于液體的性質(zhì)與溫度，溫度升高，粘度將迅速減小。因此，要測定粘度，必須準(zhǔn)確地控制溫度的變化才有意義。粘度參數(shù)的測定，對于預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝控制、輸送性以及產(chǎn)品在使用時的操作性，具有重要的指導(dǎo)價值，在印刷、醫(yī)藥、石油、汽車等諸多行業(yè)有著重要的意義。

1845年，英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家斯托克斯（G. G. Stokes, 1819-1903）和法國的納維（C.L.M.H. Navier）等人分別推導(dǎo)出粘滯流體力學(xué)中最基本的方程組，即納維-斯托克斯方程，奠定了傳統(tǒng)流體力學(xué)的基礎(chǔ)。

1851年，斯托克斯推導(dǎo)出固體球體在粘性介質(zhì)中作緩慢運(yùn)動時所受的阻力的計算公式，得出在給定力（重力）的作用下，阻力與流速、粘滯系數(shù)成比例，即關(guān)于阻力的斯托斯公式。

納維-斯托克斯方程是數(shù)學(xué)中最為難解的非線性方程中的一類，尋求它的精確解是非常困難的事。直至今天，大約也只有70多個精確解，只有大約一百多個特解被解出來，是最復(fù)雜的、尚未被完全解決的世界級數(shù)學(xué)難題之一。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)