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牛頓型流動:最簡單的情形

有些液體無論你推得多用力,黏度都不變。本篇介紹牛頓型流動、它筆直的流變曲線,以及溫度帶來的劇烈影響。

當黏度是一個常數

最簡單、最「規矩」的液體遵循牛頓型流動:它們的黏度是一個固定數值,無論你剪切得多輕或多用力都不變。把剪切應力加倍,剪切速率也隨之加倍;兩者之比——即黏度——保持不動。這類以牛頓命名的液體,最貼合我們的日常直覺。

純水、簡單的油、甘油、輕質礦物油,以及普通的蔗糖糖漿都接近牛頓型。藥物溶於單一溶劑的真溶液也是如此,只要其中沒有任何成分構建起結構。這類液體易於規定、易於測量——正因如此,在我們處理更複雜的現實行為之前,它們是絕佳的起點。

讀懂流變曲線

我們把流動行為畫在流變曲線圖上:一軸為剪切速率,另一軸為剪切應力。對牛頓型液體而言,曲線是一條過原點的直線。它的斜率固定,而由於黏度等於應力 ÷ 速率,斜率恆定就意味著黏度恆定。線越陡,液體越黏。這條乾淨的直線,就是你將學會一眼認出的標誌。

溫度:那個大槓桿

牛頓型黏度對剪切恆定,但對溫度則遠非恆定。把液體加熱,分子彼此更容易滑過,黏度便下降——往往下降得很陡。這就是為什麼蜂蜜在溫暖的窗邊會變稀,油性基質在手中會變軟。對測量來說這點至關重要:報告黏度卻不附溫度,這個數值幾乎沒有意義。

Why temperature is always quoted

A light oil measured in an Ostwald viscometer:
  at 20 C  ->  eta = 90 cP
  at 40 C  ->  eta = 45 cP

A 20 C rise has roughly HALVED the viscosity.

Lesson: "viscosity = 90 cP" is incomplete.
        Always write "90 cP at 20 C".
牛頓型黏度對剪切恆定,但強烈依賴溫度。

正因如此,奧氏黏度計——乃至任何用來繪製流變曲線的儀器——都要在恆定於規定溫度(通常為 20 或 25 °C)的水浴中運行。一旦控制好溫度,牛頓型液體就成了實驗室裡最易於重現測量的對象之一。