当我们深入研究流体力学的世界时,会发现大多数流体都会对运动产生一种阻力,我们称之为“粘度”。当流体内部各层之间存在相对运动时,粘度便随之产生。它精确地衡量了流体流动时,各层流体相互穿过过程中由内摩擦引起的流动阻力。也可以说,粘度是对流体稠稠度或物体穿过流体时所受阻碍程度的一种度量。
由于强烈的分子间相互作用,高粘度流体会产生巨大的内摩擦力,从而阻碍流体层之间的相互滑移。相反,低粘度流体因其分子结构在运动时产生的摩擦极小,所以流动起来非常顺畅。值得注意的是,气体也有粘度,虽然在日常生活中不那么明显。
什么是粘度?
粘度是对流体流动阻力的一种度量。我们可以通过流体中的剪切应力与速度梯度的比值来计算粘度。
- 粘度的测量单位是泊肃叶,这是国际单位制(SI)中的单位(PI)。
- 其他常用单位还包括牛顿秒每平方米(N s m-2)和帕斯卡秒。
- 粘度的量纲公式是 [ML-1T-1]。
随着温度升高,液体的粘度会迅速降低,而气体的粘度则会随着温度升高而增加。因此,液体在加热后流动更自由,而气体在加热后流动反而变慢。粘度也是一种强度性质,因为它不随物质数量的变化而改变。
> 粘度系数公式
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> η = F . dx / A . dv
>
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> 其中,
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> – η 代表粘度系数,
> – dv/dx 代表两层液体之间的速度梯度,
> – F 代表粘滞力,
> – A 代表表面积。
粘度的类型
流体的粘度主要分为两种:
- 动力粘度(绝对粘度): 这种粘度用于测量当外力作用于流体时,流体对流动的阻力。我们就称之为动力粘度。
- 运动粘度: 这种粘度用于测量在重力作用下流体的流动阻力。这种对流体粘度的度量方法被称为运动粘度。
很多人经常混淆这两种粘度测量值,认为它们是一回事。实际上,它们彼此之间有着相当大的区别。在某些情况下,运动粘度比绝对粘度或动力粘度更有用。
> 动力粘度是一种衡量流体在施加外力时对流动产生阻力的方法。
!image动力粘度
要理解流体的行为,了解其粘度这一关键属性至关重要。这也包括了流体接触固体边界时将如何运动。粘度是对流体在拉伸或剪切应力下发生渐进变形的阻力的度量。当流体层试图相互滑过时产生的分子间摩擦会在流体中引起剪切应力。
旋转粘度计是测定动力 viscosity 的有用工具。这些仪器会在液体样品中旋转探针。我们可以根据转动探针所需的力或扭矩来确定粘度。
流体的动力粘度公式将规定其在特定剪切力作用下对流动的内部阻力。这是一种当两个水平平面接触时产生的切向力。在分析液体行为和流体在固体边界附近的运动时,粘度是一个必不可少的流体特性。
因此,动力粘度是指流体克服内部分子摩擦并使其流动所需的力。所以,我们可以将动力粘度定义为:当流体分子保持单位距离时,使一个水平平面相对于另一个平面以单位速度移动所需的单位面积上的切向力。
移动流体中一个水平平面相对于另一个平面所需的切向力被称为动力粘度。因此,我们可以将其表示为:
> 动力粘度 = 剪切应力 / 剪切率变化
>
>
>
> 或者
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>
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> η = T/γ
>
>
>
> 其中,
>
>
>
> – η 是动力粘度,
> – T 是剪切应力,
> – γ 是剪切速率。
动力粘度的国际单位(SI)是 Pa.s 或 Ns/m2。
示例问题
问题 1: 某流体内部的剪切应力为 0.76 N/m2,剪切速率为 0.5 秒^-1。根据其动力粘度,它对应以下哪种流体?(水的动力粘度 = 1 Pa s,空气的动力粘度 = 0.018 Pa s,水银的动力粘度 = 1.526 Pa s)
解答:
> 已知,
>
>
>
> T = 0.76 N/m2
>
>
>
> γ = 0.5 秒^-1