石油是牛顿流体吗？

关于石油是不是牛顿流体的问题，这确实是一个很有意思的讨论点，尤其是在我们日常生活中经常接触到石油制品的情况下。要详细地解释这个问题，我们得先弄清楚什么是牛顿流体，然后看看石油的性质和它是否符合这个定义。

什么是牛顿流体？

简单来说，牛顿流体是一种行为非常“乖巧”的流体。它的核心特征是：在恒定的温度和压力下，其剪应力与剪切速率（或者说剪切应变率）之间存在着一个固定的、线性的比例关系。

我们换个说法来理解：

剪应力（Shear Stress）： 当你对流体施加一个“推力”或者“挤压力”，让它发生变形时，流体内部会产生一个抵抗这种变形的力，这个力就是剪应力。想象一下你用刀片在流体表面滑动，刀片和流体之间就会产生剪应力。
剪切速率（Shear Rate）： 这是衡量流体变形速度的一个参数。你可以理解为流体层之间相对滑动的速度梯度。流体层滑动得越快，剪切速率就越大。

牛顿流体的“线性关系”意味着，如果你把剪切速率加倍，那么剪应力也会加倍；如果你把它减半，剪应力也跟着减半。这种比例关系可以用一个常数来描述，这个常数就是流体的动力粘度（Dynamic Viscosity）。动力粘度是流体本身的固有属性，它不随剪切速率的变化而改变。

水、酒精、空气、大多数油类（比如食用油，在正常情况下）通常被认为是比较好的牛顿流体。它们的粘度是一个相对稳定的数值，你用力搅拌它，或者慢慢地搅动它，它抵抗你搅动的“劲儿”和速度是成正比的。

那么，石油呢？

要回答这个问题，我们得先明白，“石油”这个词涵盖的范围其实很广。我们通常说的石油，是指从地下开采出来的原油（Crude Oil），但它在运输、精炼、加工后，会变成汽油、柴油、润滑油、沥青等等各种各样的产品。这些不同的石油产品，它们的流体性质可能差异很大，不能一概而论。

1. 原油（Crude Oil）

原油是一种非常复杂的混合物，里面包含着成千上万种不同的碳氢化合物，还有一些硫化物、氮化物、金属有机物等等。它的成分和比例在不同的油田是不同的，所以不同原油的性质也会有所区别。

一般来说，大多数原油在常温常压下，可以被视为近似的牛顿流体。 这意味着当你对它施加一定的力，让它流动时，它的粘度基本是恒定的，不会随着你施加力量的大小而显著改变。就像你倒一杯普通水一样，你倒得快一点或者慢一点，水的粘度并没有变化。

但是，事情并非总是这么简单。原油的性质也受到几个重要因素的影响：

温度： 温度对原油的粘度影响非常大。温度升高，分子的动能增加，分子间的引力相对减弱，所以原油的粘度会显著下降。就像你加热蜂蜜，它会变得更容易流动。但对于牛顿流体来说，温度的变化只会改变粘度这个常数本身，而粘度与剪应力、剪切速率的关系依然是线性的。
压力： 压力对原油粘度的影响相对较小，但也不是完全可以忽略。
溶解气体和悬浮物： 原油中可能溶解有天然气，或者含有一些细小的固体颗粒（比如蜡质或泥浆）。当这些物质的存在达到一定程度时，它们会影响原油的流动行为，使其偏离牛顿流体的线性关系，变得更像非牛顿流体。

2. 石油产品（Refined Petroleum Products）

我们精炼出来的各种石油产品，性质更是千差万别：

汽油、柴油： 在正常使用条件下，它们通常表现得非常接近牛顿流体。
润滑油： 这是一个比较复杂的情况。许多润滑油是为了在各种苛刻条件下工作而设计的，它们通常含有各种添加剂，如粘度指数改进剂、抗磨剂等。
有些润滑油（特别是基础油或一些简单的配方）在常温下可能表现为牛顿流体。
但许多现代润滑油，尤其是那些需要适应宽温度范围和高剪切应力环境的，可能会被设计成非牛顿流体。 例如，它们可能含有聚合物，这些聚合物在低剪切速率下是卷曲的，表现出较高的粘度；而在高剪切速率下会伸展开来，使得粘度降低。这种行为叫做“假塑性”（Pseudoplasticity）。
还有一些特殊用途的润滑油，比如某些润滑脂（Grease），它们本身就是高度非牛顿流体。 润滑脂通常是基础油与稠化剂（如皂类）的混合物，在静止时表现出固体状，但施加足够的剪切力后就会流动。
沥青（Asphalt / Bitumen）： 沥青是重质石油产品，尤其是在较低温度下，它的性质与牛顿流体相去甚远。沥青在低温下非常粘稠，几乎是固体，但随着温度升高，它的粘度会迅速下降。而且，即使在相同温度下，改变搅拌的力度，沥青的流动响应也可能不是线性的。因此，沥青通常被认为是假塑性流体（Pseudoplastic Fluid），是一种典型的非牛顿流体。

总结一下：

大多数情况下，纯净的、不含大量溶解气体或悬浮物的原油，在常温常压下，可以被近似地视为牛顿流体。
但是，“石油”这个概念太宽泛了。许多石油产品，特别是重质的沥青，或者一些经过特殊配方设计的润滑油，都表现出非牛顿流体的特性。
温度变化对所有流体的粘度都有很大影响，但牛顿流体和非牛顿流体之间的区别，更在于它们粘度随“剪切速率”的变化方式，而不是随“温度”的变化方式。

所以，下次再有人问起石油是不是牛顿流体时，你可以说：“看具体是什么石油，常温下的原油大多数是近似牛顿流体，但像沥青这样的重质产品，或者一些特殊设计的润滑油，就不是了。” 这样回答会更精确一些。

网友意见

谢邀。 一句话回答，不同油田不同批次的原油在不同的温度下都不一样，有些可以按照牛顿流体处理，有些不行。是否算是牛顿流体要看具体应用和具体数据，因为根本没有完美牛顿的流体。

“牛顿流体“并不是一种严格存在的东西，而是对一类流体很漂亮的近似描述。牛顿爵爷首先是通过实验拟合，发现大多数生活中的简单流体的剪切力与剪切率差不多成正比，然后强行定义这个比例系数叫做粘度的。在统计热力学发展后，人们发现如果分子间仅仅通过弹性碰撞交换动量、碰撞过程各向同性、流体中不同的分子性质差别不大，（还有别的一堆假设）， 那么可以严格推导出牛顿爵爷发现的正比关系。

考虑到上述统计热力学的假定几乎没有真实的流体可以完全满足，所以实际上定义一种流体是否是牛顿流体完全看实际需求。比如，滚滚黄河携泥带沙，显然不是严格的牛顿流体；然而对于大多数相关的水文计算而言，用牛顿流体描述黄河水就已经达到足够的精度，那大多数人也就没必要考虑其非牛顿性然后平白给自己的计算添堵了。

回到原油的问题。原油由于生成过程本身的复杂性，其成分的复杂性也很高，所以严格来说肯定不是完美的牛顿流体。原油的非牛顿性可能来源于以下几个方面：

1. 原油未必是单相流体，内部可能还有重质组分的结晶、矿物颗粒、甚至小水滴，这就让原油带上了一些乳液或悬浮液的非牛顿特性。
2. 原油中常常存在极高分子量且有一定极性的组份。一方面，这些组份传递动量的过程不仅仅通过弹性碰撞，还包括角动量的交换甚至分子结构的拉伸；另一方面，这些组份常常参与自组装形成胶束一类的东西。这就导致了原油常常表现出类似高分子溶液的粘弹性。
3. 原油中的一些分子量特别大的组份甚至能够通过强大的分子间作用力让原油在较小的剪切下无法流动，从而显示出宾汉流体的特性。
4. 其他各种乱七八糟的东西，石油大学的人比我懂，请去积极咨询。

然而把非牛顿特性引入计算中是非常昂贵的。所以，在具体的应用中，如果在其流动环境与流动参数的范围内，其表观粘度大致不变，那么当然可以当作是牛顿流体来处理，这能省下不少时间和电费。考虑到不同油田出来的原油性质组成差距甚大，这个还得好好测下流变特性才知道。

下面是随便找到一篇文献的图，可以看出不同来源的原油差距何等的大。图中的2明显可以当作牛顿流体处理，而3则明显不能当作牛顿流体处理。1有点复杂，基本上在管道中可以勉强当作牛顿流体处理，但是从剪切震荡的数据看，在多孔介质中的高流速状态下恐怕就不成了。

图片数据来源：Ilyin, Sergey O., and Larisa A. Strelets. "Basic fundamentals of petroleum rheology and their application for the investigation of crude oils of different natures."Energy & Fuels32, no. 1 (2018): 268-278.

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