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粘滞性

流体在受到外部剪切力作用时发生变形(流动),流体内部相应要产生对变形的抵抗,并以内摩擦的形式表现出来。所有流体在有相对运动时都要产生内摩擦力,称为流体的粘滞性或粘性。这是流体的一种固有物理属性,但粘性只有在运动状态下才能显示出来。 [1]

牛顿内摩擦定律或牛顿剪切定律对流体的粘性作了理论描述,即流体层之间单位面积的内摩擦力剪切应力速度梯度剪切速率成正比。用公式表示如下:

τ=μ(dvx/dy)= μγ [2]

μ为流体的动力黏度,是流体的重要物理属性,和流体的种类、温度、压强有关,在一定温度、压强之下保持常数,其单位Pa

牛顿内摩擦定律仅适用于层流流动的情况,该式表明,黏性剪切力和速度梯度成正比,比例系数为流体的动力黏度。在一定条件下,速度梯度越大,剪切应力越大,能量损失也越大。当速度梯度为零时,黏性剪切力为零,流体的黏性表现不出来,如流体静止和均匀流动就属于这种情况。流体流动时的速度梯度是流体微团微观角变形速度的宏观表现即速度梯度等于流体微团的角变形速度。

一般情况下,半径为R的小球以速度v运动时,所受的流体阻力可用公式f=6πηRv(η表示粘滞性系数) [1]

在我们的周围,存在着各种各样的摩擦现象。我们能走路、坐定和工作,这都离不开摩擦。摩擦是普遍存在的。潺潺的流水里,甚至连能自由流动的空气里也存在着摩擦。人们把流体体内摩擦也称作粘滞性。物理学上用粘滞系数h(单位为泊)来表示流体粘滞性的大小。葡萄糖浆的粘滞系数η=6.6x10^11泊,较大,水的粘滞系数η=8.01x10^-3泊,较小。实际上所有流体都有不同程度的粘滞性。而且对于大多数液体,η随温度上升而下降。什么流体的粘滞系数最小?1957年12月1日,美国加利福利亚技术学院宣布:在液氦Ⅱ里,粘滞系数小得测量不到。它是没有粘滞系数的理想流体

当流体微团发生相对运动时,必须克服相邻分子间的引力,这种作用类似物体之间的相互摩擦,从而表现出摩擦力。 [1]

当流体层之间作相对运动,由于分子的热运动,使流体层之间产生质量交换,由于流层之间的速度差别,必然产生动量交换,从而产生力的作用,使相邻的流体层之间产生摩擦力。

不论气体和液体,都存在分子间的引力和热运动,只是所占比重不同而已。对于气体,由于分子距比较大,分子间的引力相对较小,而分子的热运动却非常强烈,因此,构成气体黏性的主要原因是分子的热运动;对于液体,分子距非常小,分子之间的相互约束力非常大,分子的热运动非常微弱,所以构成液体黏性的主要因素是分子间的引力。 [1]

压强的改变对气体和液体黏性的影响有所不同。由于压强变化对分子的动量交换影响非常微弱,所以气体的黏性随压强的变化很小。压强增大时对分子的间距影响明显,故液体的黏性受压强变化的影响较气体大。 [1]

温度对液体和气体黏性的影响截然相反,温度升高时气体分子的热运动加剧,气体的黏性增大,分子距增大对气体黏性的影响可以忽略不计。对于液体,由于温度升高体积膨胀,分子距增大,分子间的引力减小,故液体的黏性随温度的升高而减小。而液体温度升高引起的液体分子热运动量的变化对黏性的影响忽略不计。 [1]

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