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為什么有的液體會粘?
來源:許小然 瀏覽 741 次 發(fā)布時間:2022-09-15
首先放結論
宏觀的流體/固溶體的黏性是流體的內(nèi)摩擦力的體現(xiàn),而內(nèi)摩擦力主要來自于分子間作用力(不僅僅是分子間的次價鍵);氫鍵是其中一種較為常見的、會導致粘性增強的原因。
所以我們先從內(nèi)摩擦力開始說起:
粘性的本質:內(nèi)摩擦力
液體的內(nèi)摩擦力(internalfriction)又稱黏性力,在液體流動時呈現(xiàn)的這種性質稱為黏性,度量黏性大小的物理量稱為黏度。為了理解內(nèi)摩擦力的具體所指,最簡單的模型是標準平行雙平板實驗,實驗裝置如下圖所示:
圖片來源:百度百科-內(nèi)摩擦力
在這張圖中,下方的平板和兩個平板間的液體保持相對靜止,且液體內(nèi)部沒有對自身體內(nèi)不同質點的相對流動,而將上方平板做水平向右的推動??梢钥匆?,在與上方平板直接接觸的一層液面處可以達到與被推動的平板相同的速度,而在垂直距離上越遠離上層平板的部分的速度越慢,直到最下層與下方平板直接接觸的液面處速度為零,在兩個平板之間存在一個連續(xù)變化的速度分布。
把這個流體內(nèi)垂直距離上的速度分布從實驗裝置中抽象出來,我們可以定性的說,粘性是流體在與受外力方向垂直的方向上傳遞力(剪切應力)的能力。這也解釋了為什么人在蜂蜜中游泳(有這個實驗)比在水中游泳速度快的原因——因為考慮到蜂蜜的高粘度(即高的垂直方向剪切應力傳遞能力),人手在撥動流體的時候無形中牽涉了更多質量的流體來和自己的體重發(fā)生動量守恒過程。
將流體內(nèi)速度在垂直方向上的分布抽象出來之后會得到下面這張圖:
圖片來源:維基百科-粘性
(那個梯度的切線不用管,意思是說在并行流動中剪切應力與速度梯度成正比)
不同種類的流體其速度分布具有不同的特征。
以上,我們完成了對內(nèi)摩擦力具體指渉的內(nèi)容的限制,現(xiàn)在我們來看看粘性的來源。
粘性的來源:分子間力
一言以蔽之,粘性來自分子間力——那為什么還要單寫這一節(jié)呢?主要是為了通過引例來加深對于分子間力與粘性力關系的理解。其實生活中比較常見的、在感性上可以被歸為粘性物質(比如膠水、糖水、淀粉水)的粘性,歸根結底基本有兩個來源:
1、以水為代表的氫鍵
氫鍵是次價鍵(主要是氫鍵和范德華力)中作用力最強的物質關系,也正因此才被冠以“鍵”的稱號,本意是“像鍵一樣”的次價鍵。
氫鍵的有無和多少會顯著的影響到分子間的作用關系,繼而在機械性能上影響其粘度。而加入其他會增加氫鍵作用的物質作為溶質時,比如本問題涉及的糖水,則會更進一步地通過增加氫鍵的強度來提升液體的粘性。
而氫鍵本身鍵能畢竟相對化學鍵還是要低,通過升溫等方法是可以將氫鍵破壞的。比如把水燒開之后,水分子之間的氫鍵就會斷開,形成無良商家口中所謂的“小分子水”(哇我超想看商家喝我給他準備的真·小分子水),這個時候你再把開水從水壺里倒出來,你會發(fā)現(xiàn)——它好跳啊!
2、以淀粉溶液為代表的分子間的物理纏結
淀粉作為多糖,是一種高分子,其分子結構呈線型,會在熵的要求下自發(fā)高度卷曲蜷縮,其中則包含大量分子之間纏結的現(xiàn)象。這種分子間的纏結同樣也會(甚至可以說是更直接地)加深分子間的聯(lián)系,繼而增強宏觀液體的粘性。