黏度(η)又称为黏滞系数,它是由流体内部存在的一种能够阻碍其相对运动的力(黏滞力)产生,是物质的一种物理性质,是流体物质的重要性能指标。对于各种润滑油而言,黏度研究对其进行质量鉴别和用途确定具有非常重要的意义;对于各种燃料用油而言,黏度研究为确定其燃烧性能及用度等具有决定意义;对于一般液态物质而言,黏度研究可以探测其结构、流动机理和分子间相互作用等,能够为实际应用提供理论基础。目前,黏度研究结果已经在物理学、化学、水利、生物工程、医疗、机械润滑、液压传动和航空航天等诸多领域有了广泛的应用。
黏度作为液体的重要性能指标之一,反映了液体分子在运动过程中相互作用的强弱。流体的黏度是对由剪切应力或拉伸应力逐渐变形的抵抗力的量度。假设有两块平行平板,两平板间距离为y,其间距充满液体且非常小,下板被固定,对上板施加一个平行于平板的外力,使此平板以速度u做匀速运动。此时位于两平行平板间的液体会被分成无数平行的薄层运动,紧贴上板上的一层液体以速度u运动,其下各层液体速度依次降低,粘附在下板表面的液层速度为零,其速度分布如图6-1所示。在宏观上,黏度是流体黏滞性的一种量度,在微观上,黏度反映了液体分子的组成与结构特征。黏度的大小由物质的种类、组成成分、浓度比例、温度、压强等因素决定,其值可由实验测量,也可由理论预测。黏度研究可用于探索液体结构、流动机理和分子间的相互作用等,并为工业设计提供重要的理论依据。
图6-1 流体的黏度受力原理示意图
黏度通常可分为动力黏度、运动黏度和条件黏度。动力黏度也被称为动态黏度、绝对黏度或简单黏度,其是由液体运动时分子间内摩擦力的大小决定的。在层流状态下,分子间内摩擦力F的大小与液体的成分有关;一般情况下,在压强很小时,不大于4 MPa时,可认为与压强无关;对于性质相同的液体,内摩擦力的大小与两液层交界面的面积S和速度梯度成正比,可以表示为
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式中,F为两液层之间的内摩擦力(或称剪切力),N;S为两液面之间的接触面积,m2;τ为两液层单位接触面积之间的内摩擦力,N/m;dv为两液层之间相对运动速度,m/s;dl为两液面之间的距离,m;η为内摩擦系数,即该液体的动力黏度,Pa·s。
运动黏度又称为动黏度,动力黏度η可直接表示液体的黏性大小,而运动黏度则没有明确的物理意义。它只是指液体的动力黏度η与同温度下该液体密度ρ之比,用符号ν表示:
动力黏度和运动黏度可以用旋转黏度计、毛细管黏度计或落球式黏度计等测定。条件黏度又称为相对黏度,是指采用不同的特制黏度计,所测得的以条件单位表示的黏度。常用的条件黏度有以下几种:恩氏黏度、赛氏黏度、雷氏黏度。综上所述,利用不同黏度计测定的黏度,其单位和表示方法各不相同,但它们之间可以进行换算。
黏度是离子液体最基本的,也是最重要的物理参数之一。根据黏度产生的机理,离子液体的黏度是由氢键、范德华力和阴阳离子间的库仑力决定的。温度上升会使阴阳离子间距增大,相应的作用力减小,导致离子液体黏度降低。压强与温度刚好相反,随着压强的增加会使阴阳离子间距减小,相应的作用力增大,导致离子液体黏度升高。所以温度和压强是影响离子液体黏度的两个重要因素,液体的黏度一般随温度的升高而减小,随压强的增加而增大。在很多领域,经常会要求测量特定温度、压强条件下的黏度。
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