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知乎:沥青如果算作流体,那是不是其他物质也有这种缓慢流动的特性,只是我们察觉不到?

原文链接:http://www.zhihu.com/question/20705539/answer/15926433

感谢@陳浩 的答案。

回答问题:是的。所有物质都有流体的特性。但由于种种原因我们觉察不到。

这本来是流变学第一章绪论的内容。我恰好最近试讲做过这门课的PPT。有些图片可以放上来。

一、沥青实验
问题中的沥青实验(The Pitch Experiment)网上有很多介绍。问题中的那段介绍太故事性了,我补充一些平实一点的资料,但不详细解释了。

1984年 T. Parnell在Eur. J. Phys.上发表了一篇文章描述了这一实验,题目就是The pitch drop experiment
Eur. J. Phys. (1984) 198-200. doi:10.1088/0143-0807/5/4/003
截止到那一年为止,一共收获了6滴,最后一滴是在1979年。根据这六滴的时间,假设沥青在管子中的流动符合泊肃叶定律,可以估算沥青的粘度在10^6到10^8 Pa s范围。

Wikipedia的词条:Pitch drop experiment
词条下面的链接也是比较有价值的资料。

上一滴在2000年,由于技术原因没录下实况。下一滴预计在今年下落。实况直播视频地址:
The Pitch Drop Experiment
有兴趣的朋友可以留意,说不定能亲眼看到此过程。

二、物质的流动与形变
这就是@陳浩答案中关于Deborah数的内容,但是可以用一个更好理解说法。实际物质的形变和流动行为到底“像固体”还是“像流体”,取决于作用力的时间。如果作用力时间足够长,岩石也是流体,证据就是地质学中观察到的岩层褶皱。

橡皮泥在不同外力作用时间下的行为也不同:

以上这种现象,叫粘弹性(viscoelasticity),概念就是,物质能否流动,要看外力作用的时间。有的物质作用一会儿就流动了,有的物质要作用很长时间才流动,物质自己特有一个特征时间,所以有Deborah数这一概念。群山在上帝面前流动,是因为上帝没有寿命问题,也就没有时间长短的概念。那么在他眼中,真正是万物皆流(panta rhei)。

还有一种现象,叫屈服,是说,物质能否流动,跟外力作用时间无关(或说关系不大,因毕竟万物皆流),而跟外力的大小有关,存在一个临界的大小,叫屈服应力。以上这杯东西,靠重力是挤不出来的。加上一个1000g的砝码,也挤不出来(不是时间的问题);但加上一个4000g的砝码,就顺利的不断被挤出来了。它的粘弹性不显著,但存在一个在1000~4000g之间的屈服应力。

这就造成,区分流体还是非流体,不谈外力的大小和作用时间的话是没有意义的。

我推荐这一视频:
http://www.youtube.com/watch?v=Ol6bBB3zuGc
顺便问问如何给一个视频加上中文字幕?我想听译该视频后加上中文字幕,将来上课的时候给学生看。

三、玻璃态
很不幸,这个问题又扯到了“玻璃”。我研究的算是这一块,但我很害怕这个词。

@陳浩 教堂玻璃是谣言。“非晶”太广了,但金属的塑性形变跟晶体的位错有关。所以只能说流不流动跟物态是两回事。玻璃态也有热运动但是非常慢,而且也不清楚它想要达到的“平衡态”到低是什么东西。玻璃态分子热运动需要牵扯一个很大范围的协同运动(所以才慢),有外力作用的情况下可以帮助这些协内运动的范围发生变形,热运动会加快,所以流动性会有所改善。玻璃也发生屈服,可以流动。但有延迟屈服现象(delayed yielding),所以一定力的作用下,现在没屈服也不敢说将来不屈服。一切都要看外力作用的大小和时间。所以可以说玻璃能够流动。但你也可以说,都已流动了,那就是熔化了,就不是玻璃了。在外力作用下热运动变易,就跟升温作用下热运动变易是一回事——都是热运动变易了。这种变易跟那种变易没有质的不同,都是布朗运动,所以也是一种熔融,还有个词叫shear melting,因此死不承认流动的是玻璃也无甚不可。不过,对于胶体玻璃,其热力学控制参数不是温度,而是填充体积分数(相当于分子体系的压力吧),相互作用强度和距离。其在在外力作用下的流动,很难说是shear melting因为它本来就不是因为freezing造成的。因此,一个完整的相图应该包括体积分数、温度和外力三个坐标。这就是Jamming图像的来历。

但是仍然有很多细节问体。因为玻璃是一个远离平衡态的非平衡体系,几乎一切性质都有时间依赖性。所以,并没有明确的Tg,也没有明确的\phi_{max}和屈服应力。所以实际上并没有一个很明确的Jamming边界。最多只能说对于零温体系,可能存在Jamming的转变。一个明智的做法是,涉及到玻璃的话,啥都别去界定——至少在目前的认识程度基础上。

一句说,玻璃是不是玻璃,也依赖于观察时间。

课题组流变学入门PPT(2)

上次放出了第一次课的PPT,其实很快就又上了第二次课。但PPT一直没放出来。第二次课是关于大幅振荡剪切方法的,但兼谈了非线性粘弹性的其他表征方法。

一点感想:要做流变学研究,真的需要一段时间的密集学习。我自己的亲身经历是基本上没有师兄师姐带,完全靠天天看Rheol. Acta和Trans. Soc. Rheol.上的老文章来学习,弯路走得多,但是获益也不少。是到很后面,我才看例如Bird或者Ferry的textbook的。而这些内容也主要限于流体力学和测量学方面。由于课题的关系还要看胶体物理的paper,看懂光散射、统计。还要熟悉两台流变仪,特别是外单位送过来奇形怪状的样品,维护仪器和空压机,有时要自己去大德路惠福西买配件。此外要做LAOS数据采集,还要懂信号处理的原则性问题,写MATLAT界面。搞了这么多,似乎懂不少,并没有什么实惠,因为我还是没有原创性的工作,不见得就发得了PRL。所以做PhD乃至postdoc其实都是自找苦吃,原意做的人都是一定程度上的乐在其中。这也造成了圈子里的人一般都好聊,还挺可爱。