恩格勒度
慣用黏度的非 SI 單位 · 量:液體對流動的阻力
一台舊齒輪泵的銘板常常要求「50 °C 時不稠於 8 °E」的油,习惯了釐斯的人读到这一行会感到费解,因為數字背后并沒有任何物理含義。恩格勒度是兩個時間之比:兩百毫升液體经校正噴嘴從黄铜容器流出需要多少秒,同樣一份水從同一容器流出又需要多少秒。因此水按定義等於一,而流動慢八倍的油便得到八度。
这個單位的构造使儀器成為自己的基準,这一下子就解释了它的便利與它的不幸:漏斗在任何工厂实验室都能做出來,但在德國按恩格勒做,在英國按雷德伍德做,在美國按賽博爾特做,同一批原油便得到三個不可比的數字。三者轉到釐斯都要等到二十世纪下半叶,而泵、减速器和重油设施上的銘板仍按舊法寫着,至今还得換算。
01 · 定義
恩格勒度是被試液體兩百毫升的流出時間,與同樣一份二十摄氏度蒸馏水的流出時間之比,兩次測量都在同一台儀器上进行。水的時間称為水值;在合格的黏度計上它落在五十一秒,允差一秒。
與動黏度确有聯系,但并不是线性的,原因完全是物理的:液體离开噴嘴不只靠黏性摩擦,还靠惯性,於是一部分壓头化為射流的動能。只要液體是稠的,惯性修正便可忽略,度數几乎成正比地換算為釐斯;而在稀液體那里,修正会變得與測量本身相当。正因如此,烏氏公式不在 1.35 °E 以下使用,恩格勒漏斗對稀於每秒五平方毫米的液體则根本不取。
測量溫度必须始终寫明,并與數字同等地进入记录,因為油的黏度每加熱二十度便减半。德國的做法在二十、五十和一百度試验;蘇聯的做法承接了同一台儀器、称作慣用黏度,更多守在五十和八十 — 而正是后一個溫度进了重油的牌號,那里 M-40 或 M-100 中的數字來自八十度時的黏度。
通过自身儀器界定的量,在通常意義上沒有基準:可重現的不是黏度,而是「容器加噴嘴」这一對,用水校正过的。由此既有每批之前核验水值的要求,也有在不知道是在何种儀器上、何种溫度下取得時,不得換算他人度數的禁令。
用滑块加熱試樣,噴嘴射出的流束就会更快:秒表,以及随之而來的恩格勒度,對溫度的反應比人预想的要陡峭得多。左侧一栏显示兩百毫升要花多少時間,右侧各行显示同一個状态被四种不同標度如何读出。
实线是釐斯對度數的真实依赖,虚线是系數 7.31 的简單正比。在稠油一侧,即竖线右方,兩条线几乎重合;在左方,液體流動轻易之处,正比高估了黏度,因為射流是靠惯性离开噴嘴的。红色標记標出低於 1.35 °E 的那片区域,在那里測量干脆不被认為可信。
02 · 換算
輸入銘板上寫的數值
所有約定標度都歸結到同一個動黏度,因此彼此換算是機械的;但其精度并非绝對:賽氏與雷氏的秒同釐斯之間,用的是與烏氏為自己儀器推出的那条同樣近似的公式。
儀器的水值放在本頁的精細设置里,因為流出時間直接取决於它:校正相差一秒,結果就差約百分之二。
沒有溫度的數字換算不了,这并非吹毛求疵:同一种油在五十摄氏度約给十二度,在一百度则不到三度。若泵的銘板上沒寫溫度,工业油默认读五十度、重油读八十度 — 但更好的办法是找出銘板所依据的那一版標準。
| 數值 | 說明 | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · 數量級
對數標度:從水到瀝青04 · 測量儀器
用什麼測量黏度
水浴或油浴中的黄铜容器,下面是锥形噴嘴和一枚木塞,木塞在按下秒表的同一瞬間拔出。兩百毫升收进量瓶,儀器本身在每批之前用水校正,因為噴嘴和體积都会随時間偏离检定值。
同一漏斗的美國亲戚:噴嘴口径不同,一份六十毫升,結果就直接叫作秒。數字比恩格勒的大約三十倍,在英文的石油报告里至今仍可遇见,尽管 ASTM 早已把优先给了釐斯。
一根带兩道刻线的玻璃管,弯月面在其間通过:下落時間乘以毛細管常數,直接得到釐斯,不经任何約定標度。方法见 ISO 3104 與 ASTM D445,正是它把漏斗挤了出去,因為它只要一顶针的試樣,也不取决於谁的手握着秒表。
在試樣中轉動一根轴,測量轴上的扭矩,於是試验時长與稠度無关,對油和對瀝青都一樣。轉子能做漏斗做不到的事:它規定剪切速率,也只有在它上面才看得出,带添加剂的潤滑剂在快速剪切下会變稀。
05 · 書寫規則
沒有溫度的度數毫無意義
度符號紧貼大寫拉丁字母,數值用一個空格隔开,測量溫度必须始终寫明,因為沒有它,數字既無法核验也無法換算。慣用黏度的蘇聯符號用西里爾字母书寫,同樣带溫度;而在度數與釐斯之間放等號,哪怕在草稿里也不容许:兩者的聯系是近似的、單向的。
第二种寫法把量與儀器混為一谈,因為黏度的度數并不存在 — 存在的是時間之比,取自某一具體漏斗。第三种把等號放在本應是近似的位置,因而在报告里给出虚假的精确。第四种干脆不可能:低於 1.35 °E 方法失效,為如此稀的液體取得的數字反映的不是黏度,而是射流的惯性。
06 · 相鄰單位
最近的亲属是其余的約定標度,构造完全相同:一份液體经校正噴嘴的流出時間,只是噴嘴各國各有各的。它们都汇向動黏度,而動黏度经密度與絕對黏度相连 — 唯有这一對才有真正的量綱和真正的基準。
水等於一
結果直接以秒計
雷氏 1 號秒
在 Simetrium 的檔案中 與之相鄰的是 油品黏度等級 ISO VG 與 SAE,本頁與之相配, 泊 和 斯 出自 CGS 制,以及 以 kg/m³ 計的密度,沒有它就無法從動黏度过渡到絕對黏度。
07 · 歷史部分
三國的三只漏斗
卡爾·恩格勒從事原油加工,需要一個數字,好用來比较從巴庫和宾夕法尼亚運來的批次。儀器是用实验室里現成的东西拼起來的,量度取的是水,因為它在每位同事手边,也不需要任何表格。
英國鉴定人博弗顿·雷德伍德與美國工程师乔治·賽博爾特各做各的漏斗,兩人都沒有把時間除以水的時間:他们直接以秒给出結果。三台儀器的想法相同,噴嘴口径不同,於是在供货方與买方的争执中,同一节槽车会出現三個不同的數字。
当贸易變成國际性的,標度之間的不可比就比它们的方便更贵了,標準轉向以毛細管測量的動黏度。德國的 DIN 51560 被废止,ASTM 只把賽氏秒留作参考換算,而按 GOST 6258 的慣用黏度在本國实践中又坚持了數十年。
今天黏度用毛細管或轉子測量,但轉變之前装设的泵、减速器和重油设施,仍按各自的銘板運轉。读到「50 °C 時不稠於 8 °E」的调試工,把它換算成每秒六十平方毫米,再按 ISO VG 等級选油 — 可见这個單位不活在实验室里,而活在文件里。
以自身為基準的儀器
恩格勒度在通常意義上沒有、也不可能有基準,因為定義指向的不是自然常數而是一种构造:这樣容积的容器、这樣口径的噴嘴、兩百毫升的一份。因此受检定的不是單位而是儀器,检定用水进行 — 唯一被认為流出時間已知的液體。測量的全部儀式感由此而來:每批之前取新的水值、三次相符的读數、记下的浴溫。
这樣一种构造的弱点,恰恰在它最便利的地方显露出來。只要工厂用自己的漏斗比较自己的批次,數字就吻合得极好;可一旦需要比较兩國的批次,就发現它们并沒有共同的量 — 只有三份记录,彼此之間除了近似換算别無更好的办法。毛細管黏度計解决了这個问题,办法是把量綱还给測量:它给出每秒平方毫米,而毛細管常數是對照標準液體核验的,不是對照自己的过去。
目錄 · 計量單位
每個量都有一份檔案
七個 SI 基本單位,二十二個有专名的導出單位,以及若干制外量 — 少了它們,工程与曆法都轉不動。