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为什么有的液体会粘?

来源:许小然 浏览 161 次 发布时间:2022-09-15

首先放结论

宏观的流体/固溶体的黏性是流体的内摩擦力的体现,而内摩擦力主要来自于分子间作用力(不仅仅是分子间的次价键);氢键是其中一种较为常见的、会导致粘性增强的原因。

所以我们先从内摩擦力开始说起:

粘性的本质:内摩擦力

液体的内摩擦力(internalfriction)又称黏性力,在液体流动时呈现的这种性质称为黏性,度量黏性大小的物理量称为黏度。为了理解内摩擦力的具体所指,最简单的模型是标准平行双平板实验,实验装置如下图所示:

图片来源:百度百科-内摩擦力

在这张图中,下方的平板和两个平板间的液体保持相对静止,且液体内部没有对自身体内不同质点的相对流动,而将上方平板做水平向右的推动。可以看见,在与上方平板直接接触的一层液面处可以达到与被推动的平板相同的速度,而在垂直距离上越远离上层平板的部分的速度越慢,直到最下层与下方平板直接接触的液面处速度为零,在两个平板之间存在一个连续变化的速度分布。

把这个流体内垂直距离上的速度分布从实验装置中抽象出来,我们可以定性的说,粘性是流体在与受外力方向垂直的方向上传递力(剪切应力)的能力。这也解释了为什么人在蜂蜜中游泳(有这个实验)比在水中游泳速度快的原因——因为考虑到蜂蜜的高粘度(即高的垂直方向剪切应力传递能力),人手在拨动流体的时候无形中牵涉了更多质量的流体来和自己的体重发生动量守恒过程。

将流体内速度在垂直方向上的分布抽象出来之后会得到下面这张图:

图片来源:维基百科-粘性

(那个梯度的切线不用管,意思是说在并行流动中剪切应力与速度梯度成正比)

不同种类的流体其速度分布具有不同的特征。

以上,我们完成了对内摩擦力具体指渉的内容的限制,现在我们来看看粘性的来源。


粘性的来源:分子间力

一言以蔽之,粘性来自分子间力——那为什么还要单写这一节呢?主要是为了通过引例来加深对于分子间力与粘性力关系的理解。其实生活中比较常见的、在感性上可以被归为粘性物质(比如胶水、糖水、淀粉水)的粘性,归根结底基本有两个来源:

1、以水为代表的氢键

氢键是次价键(主要是氢键和范德华力)中作用力最强的物质关系,也正因此才被冠以“键”的称号,本意是“像键一样”的次价键。

氢键的有无和多少会显著的影响到分子间的作用关系,继而在机械性能上影响其粘度。而加入其他会增加氢键作用的物质作为溶质时,比如本问题涉及的糖水,则会更进一步地通过增加氢键的强度来提升液体的粘性。

而氢键本身键能毕竟相对化学键还是要低,通过升温等方法是可以将氢键破坏的。比如把水烧开之后,水分子之间的氢键就会断开,形成无良商家口中所谓的“小分子水”(哇我超想看商家喝我给他准备的真·小分子水),这个时候你再把开水从水壶里倒出来,你会发现——它好跳啊!

2、以淀粉溶液为代表的分子间的物理缠结

淀粉作为多糖,是一种高分子,其分子结构呈线型,会在熵的要求下自发高度卷曲蜷缩,其中则包含大量分子之间缠结的现象。这种分子间的缠结同样也会(甚至可以说是更直接地)加深分子间的联系,继而增强宏观液体的粘性。