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什么是黏度？ 通俗的讲，流体的粘度是在给定速率下其抗变形能力的量度。流体既能抵抗浸没物体的相对运动，也能抵抗不同速度层的运动。黏度可以被概念化为量化在相对运动的相邻流体层之间产生的摩擦力。例如，当流体被强制通过管道时，中心比管壁附近流动得更快。在这种情况下，实验表明，需要一些应力（如管两端的压差）来维持流经管的流动。这是因为需要一个力来克服处于相对运动中的流体层之间的摩擦力：这个力的强度与黏度成正比。严格意义上，黏度（用符号η“eta”表示）是流体中应力（F/A）与速度梯度（Δvx/Δy或dvx/dy）或者（Δvy/Δy或dvy/dy)的比值。
图1 黏度的总结 黏度是材料的特性，它将材料中的粘性应力与变形的变化率（应变率）联系起来。尽管它适用于一般的流动，但在简单的剪切流动（如平面Couette流动）中很容易可视化和定义。
图2 在库特流中，流体被困在两个无限大的平板之间，一个固定，一个以恒定速度平行运动（见图2）。如果顶板的速度足够低（以避免湍流），那么在稳定状态下，流体颗粒平行于它移动，其速度从底部的 0 到顶部的 u不等。每层流体的移动速度都比它下面的流体快，它们之间的摩擦产生了一种阻力来抵抗它们的相对运动。尤其是，流体在顶板上施加与其运动方向相反的力，在底板上施加相等但相反的力。因此，需要外力来保持顶板以恒定速度移动。如图2，平面Couette流的图解。由于剪切流与相邻流体层（处于相对运动状态）之间的摩擦力相反，因此需要一个力来维持上板的运动。这个力的相对强度是衡量流体粘度的一个指标。 黏度的分类 从测量原理来讲，黏度分为剪切黏度和拉伸黏度，剪切黏度的应力作用方向与速度梯度方向平行，即流体的流动方向与作用力平行，比如一块板放在水面上，向前拉这块板会带着水流往相同方向运动；拉伸黏度的应力作用方向与速度梯度方向垂直，即流体的流动方向与作用力方向垂直，比如粘稠的液体，拉动时会变成细丝，不仅有作用力方向的流动，也有垂直于作用力方向的流动。 剪切粘度=剪切应力(F/A)/剪切速率(dvx/dy) 拉伸黏度=拉伸应力(F/A)/拉伸速率(dvy/dy) 剪切黏度分为动力黏度（dynamic viscosity）和运动黏度（kinematic viscosity），运动粘度和动力黏度之间的关系（仅适用于牛顿流体）如下： 运动粘度=动力粘度/密度
图3 剪切流动和拉伸流动 从测量结果来讲，分为相对粘度、绝对粘度、真实粘度。 以动力黏度为例：动力粘度=剪切应力/剪切速率，根据定义，测量黏度有两种选择：1）固定剪切速率，测量剪切应力；2）固定剪切应力来测量剪切速率来计算黏度值。 相对黏度测量手段，通常既不测定剪切速率也不测量剪切应力，而是通过间接的方法来测量黏度值。比如毛细管和落球黏度计，是通过测量流动时间来测量黏度值；而旋转粘度计是通过测量扭矩来测量黏度值。这种相对的方法往往导致不同的仪器，不同的标准无法比较。 绝对黏度的测量方法，是遵循要不固定剪切速率，测量剪切应力，要不固定剪切应力，测定剪切速率来计算黏度值，这时计算出来的黏度值叫绝对黏度，也称表观粘度。 对应表观黏度，还有真实粘度，由于流体的复杂性，简单流体的表观粘度等于它的真实黏度，而复杂流体的表观黏度和真实粘度还有很大的差别。复杂流体的真实黏度需要多个不同剪切速率下的非牛顿校正而得到。 简单流体和复杂流体 流体分为简单流体和复杂流体，即所谓的牛顿流体和非牛顿流体，牛顿流体的黏度值只与温度有关，而与剪切速率（流动状态）无关，而非牛顿流体的黏度值不仅与温度有关，而且与剪切速率（流动状态）有关，详细内容请参考黏度（粘度）测量的基础二：牛顿流体和非牛顿流体。 黏度的单位 我们通常所说的黏度指的是动力黏度，单位为Pa·s。由于Pa·s的单位较大，通常采用mPa·s作为黏度的单位。20℃1个标准大气压下，纯水的黏度值是1mPa·s。还有采用泊（P）和厘泊（P）表示的，泊是为了纪念法国的一个学者Jean Poiseuille在流变领域做出的贡献而设立的单位。他们之间的换算关系如下： 1 Pa s = 10 P 1000 mPa s = 10 P 1 mPa s = 0.01 P 1 mPa s = 1 cP 运动粘度是测量流体在重力作用下的阻力流的量。它经常使用一种叫做毛细管粘度计的装置来测量，基本上是一个底部有一个窄管的刻度罐。当两种等体积的流体放在相同的毛细管粘度计中，并允许在重力的影响下流动时，粘性较大的流体比粘性较小的流体在管内流动所需的时间更长。运动粘度的国际单位是平方米每秒[m2/s]，没有特殊的名称。这个单位太大了，很少使用。运动粘度的一个更为常见的单位是平方厘米每秒[cm2/s]，这是以爱尔兰数学家和物理学家乔治斯托克斯（1819-1903）命名的斯托克斯[St]。每秒一平方米等于一万斯托克斯。具体单位换算如下： 1 m2/s =10,000 cm2/s 1 cm2/s =1 St 1 m2/s = 10,000 St 1 mm2/s = 1 cSt 1 m2/s = 1,000,000 mm2/s 1 m2/s = 1,000,000 cSt 黏度的影响因素 粘度首先是材料的函数。水在20°C时的粘度为1.0020毫帕斯卡秒（通常认为是1mPa s ）。大多数普通液体的粘度约为1到1000毫帕秒，而气体的粘度约为1到10微帕秒。糊状物、凝胶、乳状液和其他复杂液体较难总结。有些脂肪，如黄油或人造黄油，粘性很强，看起来更像是软固体，而不是流动的液体。 从日常经验来看，粘度随温度变化应该是常识。蜂蜜和糖浆加热后更容易流动。发动机机油和液压油在寒冷的日子会明显变稠，并在冬季对汽车和其他机械的性能产生重大影响。一般来说，简单液体的粘度随温度的升高而降低。随着温度的升高，液体中分子的平均速度增加，它们与近邻“接触”的时间减少。因此，随着温度的升高，平均分子间作用力减小。这两个量变化的实际方式是非线性的，当液体相变时会突然变化。 粘度与流体的流动状态也有关系，比如说酸奶越搅越稀，蜂蜜在开始的时候很难流动，但一旦开了头，流的越来越快，直到达到一定的平衡，这种现象也就是所谓的剪切变稀行为；还有一些随着流动越快，黏度越大的情况，比如面粉和水，揉的越快越黏，这种就是典型的剪切变稠。 粘度通常与压力无关，但在极压下的液体通常会出现粘度增加。由于液体通常是不可压缩的，所以压力的增加并不会真正使分子之间的距离更近。简单的分子相互作用模型无法解释这种行为，据我所知，目前还没有公认的更复杂的模型能解释这种行为。液相可能是所有物质相中最难理解的。 |
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