粘度系数

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介绍

我们可能都注意到，当蜂蜜瓶快空的时候，蜂蜜流到瓶口需要很长时间。这种液体的流动行为具有一些内在特性，可以用粘度这个术语来解释。它是液体的一种特性，当液体的不同层之间存在相对运动时，在这些层之间会产生内力。简单来说，粘度与液体的厚度有关。例如，蜂蜜比水稠，因此与水相比，它需要更长时间才能流动，因为它对流动的阻力更小。从技术角度来说，粘度是指液体在受到外力作用时提供的流动阻力或抗性的量或大小。

在这里，在上述情况下，与蜂蜜粒子相比，水分子之间的吸引力较小。因此，水的流动性更好，流动阻力更小，粘度更低，而蜂蜜的流动性较差，流动阻力更大，粘度更高。

什么是粘度？

• 它是流体在受到外力作用下流动阻力或抗性的量。

• 粘度是流动性的反义词或倒数。

• 当液体或气体的粘度低时，它往往更容易流动，因为其分子间的相互作用在运动时产生的摩擦力非常小。

• 当液体或气体的粘度高时，由于其内部摩擦（由其粘稠、厚重和半流体的一致性性质引起），流动困难。

• 数学上，粘度由以下公式定义

$$\mathrm{\eta =粘度=\frac{\tau}{\lambda }=\frac{剪切应力}{剪切速率}}$$

其中，剪切应力是指作用在物体表面上的平行力，剪切速率是指当流体的一层超过相邻层时速度变化的速率。

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粘度测量

• 它是物质（流体）在受到外力作用下对运动的阻力或抗性的量。

• 它的测量单位为$\mathrm{(\frac{达因-秒}{厘米^{2}})}$

• 粘度测量的基本单位是泊。

• 一种需要每厘米一达因的剪切应力才能产生每秒一倒数的剪切速率的材料，其粘度为一泊或100厘泊。

• 最终结果以厘泊 (cP) 表示，即：

$$\mathrm{1cP=10^{-3}Pa.S=1mPa.s}$$

有不同类型的仪器可以测量粘度：

• 旋转流变仪。

• 毛细管粘度计。

• 非接触式流变学。

• 振动粘度计。

• 带配方粘度测量。

• 微流体流变仪。

什么是粘性梯度？

• 它是流体相邻层之间速度的差异。如果上层施加更大的力向前移动，则粘性梯度越大。

• 它用$\mathrm{\frac{v}{x}}$表示，其中v是速度差，x是两层之间的距离差。

• 粘性梯度的公式为

$$\mathrm{\tau _{yx}=\mu \cdot \frac{dv_{x}}{dy}=\mu \cdot \gamma _{yx}}$$

其中：

$$\mathrm{\tau _{yx}=剪切应力;\mu =粘度;}$$

$$\mathrm{\frac{dv_{x}}{dy}\:或\: \cdot \gamma _{yx}=速度梯度或粘性梯度或剪切速率}$$

• 它影响液体的流速

• 随着粘度的增加，流速降低。

• 随着粘度的降低，流速增加。

粘度系数公式

它是衡量流体在受到外力作用下抵抗或阻碍流动的程度。用符号$\mathrm{\eta}$表示。它是剪切应力与应变率之比。通常情况下，气体粘度低于液体粘度。这是由于其分子间的吸引力。粘度的倒数称为流动性。因此，粘度较高的流体流动较慢，而粘度较低的流体流动较快。

粘度系数的公式为

$$\mathrm{(\eta )=\frac{F\times r}{A\times v}}$$

其中，$\mathrm{\eta}$ = 粘度系数，F = 切向力，r = 层间距离，A = 面积，v = 速度

它具有量纲公式

F 或力 = $\mathrm{M^{1}L^{1}T^{-2}}$

A 或面积 = $\mathrm{L^{2}}$

速度梯度 = $\mathrm{\frac{dv}{dx}=[LT^{-1}]/[L]=[T^{-1}]}$

因此：

$$\mathrm{\eta =\frac{[MLT^{-2}]}{[L^{2}]\times[T^{-1}] }=[ML^{-1}T^{-1}]}$$

粘度系数的SI单位

它是液体阻碍液体各层之间相关运动的阻力的量度。

它首先由阻力推导出来，其数值公式表示为

$$\mathrm{F=\eta A\frac{dv}{dz}\cdot \cdot \cdot (a)}$$

或

$$\mathrm{\eta =\frac{F}{A\cdot \frac{dv}{dz}}}$$

其中：

$$\mathrm{\eta =粘度系数}$$

$$\mathrm{F=阻力}$$

$$\mathrm{A=接触面积}$$

$$\mathrm{\frac{dv}{dz}=速度梯度}$$

因此，以下单位为

$$\mathrm{F=1\:牛顿}$$

$$\mathrm{A=平方米}$$

$$\mathrm{\frac{dv}{dz}=\frac{米}{秒}\times \frac{1}{米}=\frac{1}{秒}=秒^{-1}}$$

将这些值代入上述表达式 (a)。

我们得到：

$$\mathrm{1\:牛顿=(\eta)(米^{2})(秒^{-1})}$$

因此，SI单位是

$$\mathrm{\eta =\frac{1\:牛顿\times 秒}{米^{2}}\:或\:\frac{N.s}{m^{2}}\:或\:Pa.s}$$

粘度系数的单位

根据	单位
SI或国际单位制	$\mathrm{\frac{N\times 秒}{米^{2}}或\:Pa.s}$
CGS或厘米-克-秒单位	$\mathrm{\frac{达因-秒}{厘米^{2}}或\:1\:泊}$
MKS或米-千克-秒单位	$\mathrm{\frac{公斤力-秒}{米^{2}}}$

粘度示例

一些例子是

序号	物质	物质的粘度或$\mathrm{\eta}$ (Pa.s)
1	空气	$\mathrm{10^{-5}}$
2	水	$\mathrm{10^{-3}}$
3	乙醇	$\mathrm{1.2\times 10^{-3}}$
4	水银	$\mathrm{1.5\times 10^{-3}}$
5	乙二醇	$\mathrm{20\times 10^{-3}}$
6	橄榄油	0.1
7	蜂蜜	10
8	玉米糖浆	100
9	沥青	$\mathrm{ 10^{8}}$
10	熔融玻璃	$\mathrm{ 10^{12}}$

水的SI单位粘度

可以使用泊肃叶定律确定水的粘度系数 ($\mathrm{\eta}$) 。

泊肃叶液体流动方程确定单位时间内流经毛细管的流体体积。该方程如下：

$$\mathrm{V=\frac{\pi \Delta pr^{4}t}{8\eta L},}$$

因此，水的粘度系数将变为：

$$\mathrm{\eta=\frac{\pi \Delta pr^{4}t}{8V L}}$$

其中，V = 液体体积，r = 器皿半径，t = 时间，$\mathrm{\eta}$ = 粘度系数，$\mathrm{\delta p}$ = 压强变化，L = 器皿长度

因此

$$\mathrm{\eta=\frac{牛顿\times 秒}{米^{2}}}$$

水的粘度SI单位是$\mathrm{Ns.m^{-2}或\:Pa.s.}$

结论

粘度是指流体（气体或液体）的流动阻力。简单来说，粘度的倒数称为流动性。流动性是指流体流动的趋势或容易程度，而粘度是衡量流体流动阻力的量或大小。它还取决于流体的状态，例如其压力、变形速率和温度。高粘度液体由于其强大的分子间力而阻碍流体的流动，并使其产生很大的内摩擦，阻碍多层液体相互滑动。相反，低粘度液体容易流动，因为其分子间的相互作用在运动时产生的摩擦力非常小。气体也表现出粘度，但在正常情况下难以检测。但由于其分子间吸引力较小，因此流动性较大。

常见问题

Q1. 当温度升高时，粘度系数会发生什么变化？

A1. 粘度取决于温度，当温度升高时，流体分子可以自由移动，从而降低粘度系数并增加流体的流动性。这意味着当温度升高时，粘度系数会降低。

Q2. 为什么气体的粘度低？

A2. 气体中的分子间吸引力最小，分子可以很容易地自由流动。当气体分子可以自由流动时，意味着它具有低粘度。

Q3. 空气的粘度会随压力变化吗？

A3. 粘度随着压力的增加而增加。这是因为压力的增加会增加空气粒子之间的吸引力，因此使空气难以流动。

Q4. 哪种流速更快：油还是水？

A4. 根据粘度的概念，流体流动阻力越大，粘度越大或物质越稠。因此，与油相比，水阻力更小，因此水流速更快。

Q5. 杂质会影响粘度吗？

A5. 如$\mathrm{CO_{2}}$之类的杂质会影响密度和粘度，还会影响流体的流动特性。