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牛顿型流动:最简单的情形

有些液体无论你推得多用力,黏度都不变。本篇介绍牛顿型流动、它笔直的流变曲线,以及温度带来的剧烈影响。

当黏度是一个常数

最简单、最“规矩”的液体遵循牛顿型流动:它们的黏度是一个固定数值,无论你剪切得多轻或多用力都不变。把剪切应力加倍,剪切速率也随之加倍;两者之比——即黏度——保持不动。这类以牛顿命名的液体,最贴合我们的日常直觉。

纯水、简单的油、甘油、轻质矿物油,以及普通的蔗糖糖浆都接近牛顿型。药物溶于单一溶剂的真溶液也是如此,只要其中没有任何成分构建起结构。这类液体易于规定、易于测量——正因如此,在我们处理更复杂的现实行为之前,它们是绝佳的起点。

读懂流变曲线

我们把流动行为画在流变曲线图上:一轴为剪切速率,另一轴为剪切应力。对牛顿型液体而言,曲线是一条过原点的直线。它的斜率固定,而由于黏度等于应力 ÷ 速率,斜率恒定就意味着黏度恒定。线越陡,液体越黏。这条干净的直线,就是你将学会一眼认出的标志。

温度:那个大杠杆

牛顿型黏度对剪切恒定,但对温度则远非恒定。把液体加热,分子彼此更容易滑过,黏度便下降——往往下降得很陡。这就是为什么蜂蜜在温暖的窗边会变稀,油性基质在手中会变软。对测量来说这点至关重要:报告黏度却不附温度,这个数值几乎没有意义。

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".
牛顿型黏度对剪切恒定,但强烈依赖温度。

正因如此,奥氏黏度计——乃至任何用来绘制流变曲线的仪器——都要在恒定于规定温度(通常为 20 或 25 °C)的水浴中运行。一旦控制好温度,牛顿型液体就成了实验室里最易于重现测量的对象之一。