黏度是流體力學中的一個重要物理量，用來衡量流體的黏稠程度或抗流動性。無論是在工業應用（如潤滑油、油漆）還是日常生活（如蜂蜜、牛奶）中，黏度都扮演著關鍵角色。瞭解黏度的不同單位及其換算方式，對於精確測量和應用至關重要。
黏度是什麼？
黏度（Viscosity）可以簡單理解為流體流動時內部產生的流動阻力。黏度高的流體，流動性差，像是蜂蜜或瀝青；黏度低的流體，流動性好，像是水或汽油。黏度不僅與材料本身性質有關，也深受溫度和壓力的影響。通常，液體的黏度會隨溫度升高而降低，而氣體的黏度則會隨溫度升高而增加。
黏度的度量方法可分為兩大類：絕對黏度和相對黏度。絕對黏度包含了動力黏度與運動黏度，這也是最常使用的兩種黏度單位。相對黏度則包含了恩氏黏度、賽氏黏度及雷氏黏度等，主要用於特定領域的測量。
動力黏度（Dynamic Viscosity）
動力黏度又稱絕對黏度或簡單黏度，符號通常為 μ 或 η。它直接反映了流體抵抗剪切應力的能力，可以想像成在流體中移動速度物體所需的力量。
定義與公式
動力黏度的定義：當流體中相鄰兩層以不同移動速度相對運動時，所產生的切應力 (τ) 與移動速度梯度 (∂u/∂y) 的比例。其數學表達式為：
τ= μ∂u/∂y
其中，
- τ 為切應力（單位面積上的摩擦力）。
- ∂u/∂y 為移動速度梯度，表示流體移動速度在垂直方向上的變化率。
單位與換算
國際單位制（SI）：帕斯卡·秒（Pa·s）或 牛頓·秒/平方公尺（N·s/m²）。
其他常用單位：
- 泊（Poise, P）： 以法國物理學家泊肅葉（Jean-Louis Poiseuille）命名，但泊的單位值較大，較不常用。
- 釐泊（Centipoise, cP）： 泊的百分之一，是實驗室中最常使用的動力黏度單位。水的動力黏度在 20°C 時約為 1 cP，因此釐泊是一個非常直觀的單位。
- 毫帕秒（mPa·s）： 國際單位制下的毫單位，與釐泊完全等價，即 1 mPa·s = 1 cP。
單位換算：
- 1 Pa·s = 1 N·s/m^2 = 1 kg/(m·s)
- 1 Pa·s = 10 P = 1000 mPa·s = 1000 cP
運動黏度（Kinematic Viscosity）
運動黏度，又稱動黏度，符號為 ν。它描述的是流體在力作用下流動的難易程度，是流體動力黏度與其密度的比值。
定義與公式
運動黏度的定義：流體的動力黏度 (μ) 與其密度 (ρ) 的比值。其數學表達式為：
ν= μ/ρ
運動黏度更關注流體本身的流動特性，尤其在考慮流體在管道或設備中流動時，運動黏度比動力黏度更有實際應用價值。
單位與換算
國際單位制（SI）：平方公尺/秒（m²/s）。由於這個單位值非常大，實際應用中較少直接使用。
其他常用單位：
- 斯托克斯（Stokes, St）： 以愛爾蘭數學家斯托克斯（George Gabriel Stokes）命名，是平方公分/秒（cm²/s）的別稱。
- 釐斯（Centistokes, cSt）： 斯托克斯的百分之一，是實驗室和工業中最常用的運動黏度單位。水的運動黏度在 20°C 時約為 1 cSt。
- 1 cSt = 1 mm^2/s
單位換算：
- 1 m^2/s = 10,000 cm^2/s = 10,000 St
- 1 m^2/s = 1,000,000 mm^2/s = 1,000,000 cSt
動力黏度與運動黏度的區別與比喻
動力黏度和運動黏度雖然相關，但概念上有所不同。
- 動力黏度衡量的是流體本身的流動阻力，與流體的內部分子作用力有關。想像一下用吸管吸一杯奶昔，你所感受到的流動阻力就是動力黏度。
- 運動黏度衡量的是流體的流動能力，同時考慮了流動阻力和流體的密度。想像一杯奶昔從杯口流出的移動速度，這移動速度受到奶昔的黏稠度（動力黏度）和重量（密度）共同影響，因此運動黏度更適合描述這種實際流動狀況。
因此，潤滑油的選擇常使用 ISO VG 標準，該標準便是以 40°C 下的運動黏度（cSt）來進行分級，因為運動黏度能更貼切地反映潤滑油在引擎或液壓系統中的流動表現。
黏度換算表
以下表格整理了動力黏度與運動黏度的常用單位換算關係，方便查閱與對照。
| 名稱 | 符號 | 定義 | SI 單位 | 常用單位 |
|---|---|---|---|---|
| 動力黏度 | μ, η | 剪應力與移動速度梯度之比 | Pa·s | 釐泊 (cP) |
| 運動黏度 | ν | 動力黏度與密度之比 | m²/s | 釐斯 (cSt) |
動力黏度換算
| 動力粘度換算 | Pa·s | P | cP | mPa·s | kg/(m·s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 Pa·s = | 1 | 10 | 1000 | 1000 | 1 |
| 1 P = | 0.1 | 1 | 100 | 100 | 0.1 |
| 1 cP = | 0.001 | 0.01 | 1 | 1 | 0.001 |
| 1 mPa·s = | 0.001 | 0.01 | 1 | 1 | 0.001 |
| 1 kg/(m·s) = | 1 | 10 | 1000 | 1000 | 1 |
運動黏度換算
| 運動粘度換算 | m²/s | St | cSt | mm²/s |
|---|---|---|---|---|
| 1 m²/s = | 1 | 10,000 | 1,000,000 | 1,000,000 |
| 1 St = | 0.0001 | 1 | 100 | 100 |
| 1 cSt = | 10^-6 | 0.01 | 1 | 1 |
| 1 mm²/s = | 10^-6 | 0.01 | 1 | 1 |
動力黏度與運動黏度轉換公式：
– ν(cSt) = μ(cP)/ρ
– μ(cP) = ν(cSt) ×ρ
其中 ρ 為流體密度，單位為 g/cm³ 或 kg/L。
常見問題
Q1：動力黏度與運動黏度有什麼實際應用上的區別？
A1： 動力黏度主要用於描述流體的內部摩擦力，例如在攪拌或混合流體時所需的力量。運動黏度則更常應用於流體在管道、泵浦或機械繫統中的流動情況，例如潤滑油的流動性、液壓油的傳輸效率等。
Q2：為什麼不同溫度下，黏度的數值會差很多？
A2： 溫度對黏度的影響非常大。對於液體，溫度升高會使分子間的距離拉大、相互吸引力減弱，導致流動性增加，黏度下降。這就是為什麼加熱蜂蜜或糖漿會使其變得更容易流動。對於氣體，溫度升高會使分子運動加劇、碰撞頻率增加，導致動量傳遞更強，黏度反而上升。
Q3：黏度計是怎麼測量黏度的？
A3： 常見的黏度計種類繁多，根據原理可分為幾種：
- 毛細管黏度計：透過測量一定大小的液體流經毛細管所需的時間（t），來計算運動黏度。這類黏度計結構簡單、測量精準，常應用於潤滑油等領域。
- 旋轉黏度計：透過測量流體對旋轉轉子的流動阻力（扭矩），來計算動力黏度。這類黏度計適用於黏度範圍廣、操作方便，適合非牛頓流體的測量。
- 落球黏度計：測量球體在流體中以恆定移動速度下落所需的時間，透過斯托克斯定律計算動力黏度。適用於透明流體，且測量範圍較窄。
Q4：什麼是牛頓流體和非牛頓流體？
A4： 牛頓流體是指其黏度在任何剪切速率下都保持恆定的流體，例如水、空氣、汽油等。其剪切應力與剪切速率成線性關係。非牛頓流體則是指其黏度會隨剪切速率改變的流體，例如番茄醬、油漆、血液等。在不同的剪切作用下，這類流體的黏度會增加（剪切增稠）或減少（剪切稀化）。
總結
黏度是描述流體流動特性的關鍵物理量，其單位可分為動力黏度與運動黏度兩大類。
- 動力黏度 (μ) 衡量流體對剪切應力的抵抗力，常用單位為釐泊（cP）或毫帕秒（mPa·s），兩者黏度值相等。
- 運動黏度 (ν) 衡量流體在重力作用下的流動性，常用單位為釐斯（cSt）或平方毫米/秒（mm²/s），兩者黏度值相等。
瞭解這兩種黏度的區別，並能靈活運用換算公式，對於選用正確的潤滑油、瞭解流體的流動行為，以及在不同領域進行準確的測量和分析都至關重要。
