流体の物性における粘度の基礎と温度依存性

粘度（ねんど、英語: viscosity）とは、物質の流動に対する抵抗力を示す、いわゆる「ねばりの度合」を表す物性値である。粘性率や粘性係数、あるいは動粘度と区別して絶対粘度とも呼ばれる。一般には液体や気体といった流体が持つ性質として扱われるが、粘弾性などの特性を示す固体においても用いられることがある。

定義と基礎方程式

粘性を持つ流体を面積 $S$、間隔 $h$ の2枚の平板ではさみ、一方の平板を相対速度 $U$ で平行に動かしたとき、移動方向と逆向きに剪断応力（摩擦応力） $ au$ が発生する。平板と流体の間に生じる力を $F$ とすると、力は間隔 $h$ の逆数と相対速度 $U$ に比例し、次式のように表現される。

このときの比例係数 $\mu$ が粘度である。より一般化して、面と垂直に $y$ 軸をとり、面と平行方向の流体速度を $U$ とすると、剪断応力は単位時間あたりの剪断変形率に比例する。

この関係はニュートンの流体摩擦法則として知られている。外力に対して粘度 $\mu$ が一定値をとる物質およびその性質をニュートン流体と呼び、一方でせん断変形率によって粘度が変化する物質を非ニュートン流体と呼ぶ。

動粘度

流体の粘度をその密度 $\rho$ で割った値は動粘度（動粘性係数）と呼ばれ、量記号には $\nu$ が用いられる。毛管粘度計などを用いて流体が自重で移動する速度や時間を比較する際によく指標として用いられる。

温度依存性

一般に、液体の粘度は温度が上昇すると低下する傾向にあり、気体の粘度は温度が上昇するとともに上昇する。例えば、液体における粘度と温度の関係を表す式の一つとして次のような指数関数的関係が挙げられる。

また、高分子物質やガラス形成液体などのアモルファス材料においては、ガラス転移温度近傍での緩和時間の温度依存性を記述するために時間-温度換算則やWLF式などが活用される。気体の粘度評価においてはスザランドの定数などを導入した温度補正式が利用されることが多い。

分子運動論との関係

気体の分子運動論に基づけば、低圧気体の粘度は気体分子の平均自由行程や密度、分子量と関連付けられる。また、液体においては、絶対反応速度論や活性化自由エネルギーの概念を用いた理論式が提案されており、分子のモル体積やエンタルピー変化を考慮に入れた解析が行われている。