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粘度

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粘度是物质的一种物理化学性质,定义为一对平行板,面积为A,相距dr,板间充以某液体;今对上板施加一推力F,使其产生一速度变化度所需的力。
由于粘度的作用,使物体在流体中运动时受到摩擦阻力和压差阻力,造成机械能的损耗(见流动阻力)。
中文名
粘度
外文名
viscosity
流    动
基本特征
形    成
速度梯度
公    式
τ= ηdv/dx =ηD
有    关
材料性质

粘度定义

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由于液体的粘性将此力层层传递,各层液体也相应运动,形成一速度梯度du/dr,称剪切速率,以r′表示。F/A称为剪切应力,以τ表示。剪切速率与剪切应力间具有如下关系: [1] 
(F/A)=η(du/dr),
比例系数η即被定义为液体的剪切粘度(另有拉伸粘度,剪切粘度平时使用较多,一般不加区别简称粘度时多指剪切粘度),故η=(F/A)/(du/dr)=τ/r′。
将两块面积为1㎡的板浸于液体中,两板距离为1米,若在某一块板上加1N的切应力,使两板之间的相对速率为1m/s,则此液体的粘度为1Pa·s。
牛顿流体:符合牛顿公式的流体。 粘度只与温度有关,与切变速率无关。非牛顿流体:不符合牛顿公式τ/D=f(D),以ηa表示一定(τ/D)下的粘度,称表观粘度
粘度随温度的不同而有显著变化,但通常随压力的不同发生的变化较小。液体粘度随着温度升高而减小,气体粘度则随温度升高而增大。对于溶液,常用相对粘度μr表示溶液粘度μ和溶剂粘度μ之比,即:
相对粘度与浓度C的关系可表示为:
μr=1+【μC+K′【μC+…
式中【μ】为溶液的特性粘度
K′为系数。【μ】、K′均与浓度无关。
不同流体的粘度差别很大。在压强为101.325kPa、温度为20℃的条件下,空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度为:
空气 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
各种流体的粘度数据,主要由实验测得。常用的粘度计有毛细管式、落球式、锥板式、转筒式等。在工业上有时用特定形式的粘度计来测定特定的条件粘度。如炼油工业中常用恩氏粘度(或恩格拉粘度)作为石油产品的一个指标,它表示某一温度下200cm3油品与同体积20℃纯水,从恩氏粘度计中流出所需时间之比。恩氏粘度与动力粘度的关系可按经验公式换算。又如橡胶工业中常用门尼粘度为衡量橡胶平均分子量及可塑性的一个指标。
在缺少粘度实验数据时,可按理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不太高的气体,估算结果较准;对于液体则较差。对非均相流体(如低浓度悬浮液)的粘度,可以用爱因斯坦公式估算:
式中μm为悬浮液的粘度;μ连续相液体的粘度;φ为悬浮液中分散相体积分数μd为分散相粘度。当分散相为固体颗粒时,μd→∞,;当分散相为气泡时,μd→0,μm=(1+φ)μ
粘度是流体粘滞性的一种量度,是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示。粘度大表现内摩擦力大,分子量越大,碳氢结合越多,这种力量也越大。 粘度对各种润滑油、质量鉴别和确定用途,及各种燃料用油的燃烧性能及用度等有决定意义。在同样馏出温度下,以烷烃为主要组份的石油产品粘度低,而粘温性较好,即粘度指数较高,也就是粘度随温度变化而改变的幅度较小;含环烷烃(或芳烃)组份较多的油品粘度较高,即粘温性较差;含胶质和芳烃较多油品粘度最高,粘温性最差,即粘度指数最低。 粘度常用运动粘度表示,单位mm²/s。重质燃料油粘度大,经预热使运动粘度达到18~20mm²/s(40℃),有利于喷油嘴均匀喷油。

粘度单位换算表

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动力粘度单位换算 [2] 
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)
动力粘度与运动粘度的换算
μ=ν·ρ
式中μ--- 试样动力粘度(mPa·s)
ν--- 试样运动粘度(mm²/s)
ρ--- 与测量运动粘度相同温度下试样的密度(g/cm³)

粘度测定

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粘度动力

ηt是二液体层相距1cm,其面积各为1(cm²)相对移动速度为1cm/s时所产生的阻力,单位为g/cm·s。1g/cm·s=0.1pa·s。一般工业上动力粘度单位用pa来表示。

粘度运动

在温度t (℃)时,运动粘度用符号γ表示,在国际单位制中,运动粘度单位为斯,即每秒平方米(m²/s),实际测定中常用厘斯,(cst)表示厘斯的单位为每秒平方毫米(即 1cst=1mm²/s)。运动粘度广泛用于测定喷气燃料油、柴油、润滑油等液体石油产品深色石油产品、使用后的润滑油、原油等的粘度,运动粘度的测定采用逆流法。

粘度条件

指采用不同的特定粘度计所测得的以条件单位表示的粘度,各国通常用的条件粘度有以下三种:
恩氏粘度又叫恩格勒(Engler)粘度。是一定量的试样,在规定温度(如:50℃、 80℃、100℃)下,从恩氏粘度计流出200毫升试样所需的时间与蒸馏水在20℃流出相同体积所需要的时间(秒)之比。温度tº时,恩氏粘度用符号Et表示,恩氏粘度的单位为条件度。
赛氏粘度,即赛波特(sagbolt)粘度。是一定量的试样,在规定温度(如 100ºF、F210ºF或122ºF等)下从赛氏粘度计流出200毫升所需的秒数,以“秒”单位。赛氏粘度又分为赛氏通用粘度和赛氏重油粘度(或赛氏弗罗(Furol)粘度)两种。
雷氏粘度即雷德乌德(Redwood)粘度。是一定量的试样,在规定温度下,从雷氏度计流出50毫升所需的秒数,以“秒”为单位。雷氏粘度又分为雷氏1号(Rt表示)和雷氏2号(用RAt表示)两种。
上述三种条件粘度测定法,在欧美各国常用,我国除采用恩氏粘度计测定深色润滑油及残渣油外,其余两种粘度计很少使用。三种条件粘度表示方法和单位各不相同,但它们之间的关系可通过图表进行换算。同时恩氏粘度与运动粘度也可换算,这样就方便灵活得多了。
粘度的测定有许多方法,如转桶法、落球法阻尼振动法、杯式粘度计法、毛细管法等等。对于粘度较小的流体,如水、乙醇、四氯化碳等,常用毛细管粘度计测量;而对粘度较大流体,如蓖麻油变压器油机油、甘油等透明(或半透明)液体,常用落球法测定;对于粘度为0.1~100Pa?s范围的液体,也可用转筒法进行测定。

粘度绝对粘度

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1、动力粘度η:在流体中取两面积各为1m2,相距1m,相对移动速度为1m/s时所产生的阻力称为动力粘度。单位Pa.s(帕.秒)。过去使用的动力粘度单位为泊或厘泊,泊(poise)或厘泊为非法定计量单位。 [3] 
1Pa.s=1N.s/m2=10P泊=10³cp=1Kcps
  ASTM D445标准中规定用运动粘度来计算动力粘度,即η=υ*ρ,式中 η-动力粘度,Pa.s;ρ-密度,kg/m3;υ-运动粘度,m2/s。我国国家标准GB/T506-82为润滑油低温动力粘度测定法。该法使用于测定润滑油和深色石油产品的低温(0~-60℃)动力粘度。在严格控制温度和不同压力条件下,测定一定体积的试样在已标定常数的毛细管粘度计内流过所需的时间,秒。由试样在毛细管流过的时间与毛细管标定常数和平均压力的乘积,计算动力粘度,单位为Pa.s。该方法重复测定两个结果的差数不应超过其算术平均值的±5%。
2、运动粘度υ:流体的动力粘度η与同温度下该流体的密度ρ的比值称为运动粘度。它是这种流体在重力作用下流动阻力的度量。在国际单位制(SI)中,运动粘度的单位是m2/s。过去通常使用厘斯(cSt)作运动粘度的单位,它等于10-6m2/s,(即1cSt=1mm2/s)。
运动粘度通常用毛细管粘度计测定。在严格的温度和可再现的驱动压头下,测定一定体积的液体在重力作用下流过标定好的毛细管粘度计的时间,为了测准运动粘度,首先必须控制好被测流体的温度,测温精度要求达到0.01℃;其次必须选择恰当的毛细管的尺寸,保证流出时间不能太长也不能太短,即粘稠液体用稍粗些的毛细管,较稀的液体用稍细的毛细管,流动时间应不小于200秒;须定期标定粘度管常数;而且安装粘度管时必须保持垂直。运动粘度国家标准为GB/T256-88,相当于ASTM D445-96/IP71/75。

粘度比粘度

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比粘度是一个物理学的概念,在很多方面都能用到 。液体在外力作用下流动时,分子间的内聚力阻碍分子间的相对运动而产生一种内摩擦力,液体的这种性质叫做液体的粘性。其特点是:只有在流动时液体才表现出粘性,静止液体(液体质点间没有相对运动的液体)是不呈现粘性的。 [4] 
表示方法有三种:
①绝对粘度η,其单位(量纲)为帕·秒——Pa-s,1Pa-s=1N-SAIl20
②运动粘度ν,这是液体的绝对粘度与其密度的比值。
运动粘度的单位为m²/s,因该单位太大,故实际中习惯用厘斯cSt。
③相对粘度(条件粘度)。我国、前苏联、德国采用的是恩氏粘度E;美国用赛氏粘度SSU;英国用雷氏粘度"R(或Re·1)。

粘度其他概念

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实验室测定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式泊肃叶公式导出有关粘滞系数的表达式,求得粘滞系数。 粘度的大小取决于液体的性质与温度,温度升高,粘度将迅速减小。因此,要测定粘度,必须准确地控制温度的变化才有意义。粘度参数的测定,对于预测产品生产过程的工艺控制、输送性以及产品在使用时的操作性,具有重要的指导价值,在印刷、医药、石油、汽车等诸多行业有着重要的意义。
1845年,英国数学家、物理学家斯托克斯(G. G. Stokes, 1819-1903)和法国的纳维(C.L.M.H. Navier)等人分别推导出粘滞流体力学中最基本的方程组,即纳维-斯托克斯方程,奠定了传统流体力学的基础。
1851年,斯托克斯推导出固体球体在粘性介质中作缓慢运动时所受的阻力的计算公式,得出在给定力(重力)的作用下,阻力与流速、粘滞系数成比例,即关于阻力的斯托斯公式。
纳维-斯托克斯方程是数学中最为难解的非线性方程中的一类,寻求它的精确解是非常困难的事。直至今天,大约也只有70多个精确解,只有大约一百多个特解被解出来,是最复杂的、尚未被完全解决的世界级数学难题之一。
参考资料
  • 1.    孙平,张云,苗月琦,周跃花,李学坤,李树娜. 超临界CO_2输送水煤浆的流体粘度研究[J/OL]. 应用化工,2017,(11):1-6(2017-08-31).
  • 2.    尚培娜. 温度对导热油粘度影响规律的研究[D].湖南工业大学,2016.
  • 3.    孙允帅. Al-Fe合金熔体粘度研究[D].山东大学,2013.
  • 4.    刘文鹏,张庆礼,殷绍唐,孙敦陆,邵淑芳,张霞,谷长江. 粘度测量方法进展[J]. 人工晶体学报,2007,(02):381-384+404.
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