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 中科院力学所

物理学家江仁寿在中国近代流体力学领域的贡献

力学园地
2016年01月03日

物理学家江仁寿在中国近代流体力学领域的贡献* 白秀英？1），白欣？ ？（渭南师范学院 物理与电气工程学院，714099 陕西 ） ？ (首都师范大学 物理系科技史研究室，100048　北京 ) 中图分类号：N09

江仁寿（1906-1988）是中国物理学家、教育家。他1906年1月15日出生于安徽省歙县森村乡，是“阜径隐里不必谈起，身上无衣床上无被，袋里无钱缸里没米”的阜径人[1]。1924年，江仁寿考入上海大同大学物理系，在导师严济慈（1900-1996 ）的推荐下，留学于英国伦敦大学理学院，师从葡萄牙裔实验物理学家安德雷德(Andrade E .N. da. C，1887-1971)进行流体力学黏滞性的实验研究。1936年，江仁寿以《液态金属钠和钾的粘度》( Viscosity of Liquid Sodium and Potassium)获得博士学位后归国，分别在武汉大学、中山大学、暨南大学、复旦大学和西北大学任教，从教60个春秋，为学生讲授《理论力学》《物性学》《热学》及《热力学》等课程，在艰难的教学环境中带领学生从事粘滞性及液体表面张力研究[2]。1988年，江仁寿病逝于西安市，享年82岁。迄今为止，关于江仁寿的研究文献寥寥可数[3,4]。本文在大量原始文献的基础上，就江仁寿在流体力学粘滞性及表面张力等方面进行研究，以期起到抛砖引玉的作用，引起更多学者对江仁寿流体力学贡献的关注与研究。

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1 液态金属粘滞性测定的历史回顾 粘滞性是表征液态金属中原子间力和动量传递即原子输运性质的重要物理量，是液态金属流体力学的基本特征，是反应金属熔体的重要物性参数之一和研究金属液态特性的重要途径。研究液态金属粘滞性不仅能够揭示液态金属粘滞性的物理机制，而且对材料制备具有重要的实际意义。因此，国内外诸多学者曾致力于这一课题的研究。 历史上，金属液体粘滞性的测量方法分为流动法和衰减法[5]。最早采用的是毛细测量法即流动法。此法仅适用于1127 ～1227 以下的金属熔点，而且对金属纯度要求很高,实验时极易由于堵塞毛细管造而成测量结果的失误。 1860年，德国物理学家亥姆霍兹（h.helmholtz,1821-1894）和俄国的皮奥特罗夫斯基（C.G.Piotrowski，1876-1929）运用衰减法设计了双线悬挂旋球测定液体黏度，适合于测量大温度范围的黏度，因为实验时保持恒温，故容易读数，使液体粘滞性的测量有了历史性的转变[6]。但这种方法计算很复杂，又常导致一些错误的结论，依旧存在误差大、精度不高等缺点。 1890年，库埃特发明了同心圆柱式粘度测量装置。这种方法是将待测液体充满在两圆柱之间，外筒匀速转动时，液体将使内筒的悬挂细线扭转，通过测定扭矩即可计算出液体粘度。但是，这种方法测量时，会由于液体剪切层的流动不稳定引起内筒所受力矩随转速而非线性变化，因为未得到广泛使用。 1907年，拉登布格尔的沉球式粘度实验克服了斯托克斯实验遇到的困难，但测量方法对液体是否做稳定的流动等条件和状态过高。当时，所有这些测量方法都因金属具有较高的熔化温度而在粘度测量中遇到了相当大的困难，测试精度也不理想，因而成为流体力学重点解决的难题。 2 江仁寿关于液态金属粘滞性的实验设计与实验测量 2.1惯性棒双线悬挂球实验设计 1910年，安德雷德开始流体力学粘滞性的研究，他的《金属的粘滞性流动及有关现象》（On the Viscous Flow in Metals,and Allied Phenomena）一文发表在皇家学会会刊上，江仁寿正是在这一时期跟随导师从事液体粘滞性的测定与实验研究。当时的实验室很是简陋，测定液体粘滞性装置只有一个球形玻璃瓶，装水后悬挂作旋转振动，观察周期和衰减来计算粘滞系数。江仁寿每天泡在实验室里，熟悉实验仪器、实验过程及影响实验因素的分析，他利用一个多学期的时间，对测定液体粘滞系数的理论和实验有了自己的见解。江仁寿通过研究发现：电磁法起动后，实验仪器转动会带动其他装置摆动从而影响测量的精确度.而如果改进装置就可使外部阻尼减小到忽略不计，进而数据的精度会大幅度提高。于是，他设计完成了一套带有惯性棒的双线悬挂球球形容器 （图1）[7]。 惯性棒双线悬挂球形容器是在容器内装上待测液体，以共振幅衰减来计算液体的粘滞度。惯性棒的作用是避免容器发生任何摆动，使容器只有纯转动。同时，他还发现了精确的机械起动法，用照相记录容器扭振幅度的方法，从而利用共振振幅衰减来计算液体的粘滞性，较大地提高了测量液体粘滞性的精确度。与传统的毛细管法相比较，就可实验不仅操作简单，而且具有适用于高温、高压环境的优点，又无需考虑毛细管法所必需作的各种修正，测量误差约在理论值的0．5%以内。 2.2 液态钠、钾及钠钾合金粘滞性的实验测量 江仁寿首先试测了不同温度的水的粘滞性（表1），证明了经他改进的旋球法具有很高精度和优点,实验数值得到了国际公认[8]。

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表1 不同温度下水的粘滞性测定及误差[8]

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当时,对液态金属粘滞性的测量数据甚少，江仁寿基于对水粘滞性的测量，选择原子结构及晶体形状简单的钠和钾作为研究对象，测量单晶钠和钾金属液体的粘滞性补充实验比较数据。 为了不影响粘滞性的数据测定，他对实验装置进行改进（图2）[9]，该装置适用于在各种温度下的真空测量粘滞度的方法，后来被广泛的应用于测定其他液态金属。 实验前，江仁寿首先对金属在 真空下进行提纯。实验步骤如下：1.对盛金属液体的玻璃球直径进行校准；2.在实验中保持金属箱中惯性棒恒定并测定其转动惯量；3.测定液态钠、钾金属的热膨胀效应。4.采用照相记录法测定、计算盛金属液体的球形容器振幅的对数衰减；5.以蒸气套代替电炉作热源，测定实验时的温度，根据黏度公式 计算粘滞系数。 实验时江仁寿发现：当温度接近熔点时，金属的晶体结构依旧保持不变，然而，粘滞性却出现反常。他通过大量的实验最后得到影响粘度测量准确性的因素，结果测得：钠和钾在熔点时的粘度值分别为63mp和52mp（在CGS单位制中，粘度系数单位为泊，符号为p，在SI单位制中，粘度系数为帕斯卡秒，符号为 Pa.s），即0.0063 Pa.s 和0. 0052 Pa.s，而实验值分别为0. 00695 Pa.s 和0.00537 Pa.s，实验值与测量值误差较小。通过实验测定，证明了钠、钾即使在熔点处的实验结果也较好地符合安德雷德的黏度公式，完成了《用旋球法测定流体的粘滞性》和《液态钠和钾的粘滞性》发表在英国皇家学会期刊上，国际上称为“江氏”粘滞性数值。 1960年，江仁寿指导研究生平一梅、田阴棠采用惯性棒双线悬挂球完成了0 ～300 的温度范围内合金NaK的粘滞性测定[10]。NaK在常温下一般呈液态，沸点高，比热和导热系数大，且吸收中子本领小，所以在反应堆中是一种颇有前途的载热剂。因此，液体NaK的粘滞性测定，一方面是工程技术所需要，另一方面又可为正在发展的液体理论提供必要的数据。江仁寿指导他们利用图2实验装置，采用空球法对三种NaK（ 含量为49.55%，51%，74%）样品的粘滞性进行了测定。实验表明，这三种液体合金在所测的温度范围内，相当满意地遵守安德兰规律。 空球法是把空球装满液体悬挂起来，让它在真空中做衰减振动，通过记录空球的对数衰减确定液态的粘滞性在理论和计算上较复杂，但是对化学性质活泼的钠钾合金而言，既便利又可靠，是对单质碱金属粘滞性的重要发展。 3 江仁寿关于金属液体表面张力的研究 1955至1960年间，江仁寿主要从事金属液体表面张力的研究。他在注意到国外学者们曾用电子论对金属液体表面现象进行过研究并取得初步成就。但是，通过理论分析，他发现国外学者仅仅考虑了电子论，忽视了液体金属的的分子力。即他认为这些观点都是电子论的，只计算电子在单分子层中的平均动能而没有考虑分子，从而忽略了液体表面是一个液体的内外综合现象。对于这一问题，江仁寿认为有必要从分子观点重新认识，考虑对金属液体表面张力进行研究[11]。 液体表面是能量的场所，这是由于表面分子与内部分子比起来，处于特殊的地位。1940年，江仁寿曾与研究生王治樑根据电子论对金属液体提出假设——固体溶解后（尤其在熔点附近）分子依旧以原来特征频率对缓慢移动的平衡点做振动，然后结合安德鲁德教授导出的熔点金属液滞公式与液态准晶体结构、表面层两个假定，得到一个近似金属液体在熔点时的表面张力 的公式：QQ截图20160103234252 (C 是常量, 是原子或分子量， 是特征频率) 他把金属液体表面层看作二度固体，假定表面分子以 做二维简谐振动，应用热力学关系，从能量观点得出液体在熔点时的表面张力公式，计算出40余种元素在熔点的表面张力，通过分析金属液体表面张力的数值，列出了表面张力特别大的金属（表2）[12]。由于当时关于金属液体的表面张力缺乏实验参考数据，仅有的数值也不十分精密可靠，精密、系统地测定金属液体的表面张力是一项急迫的工作，江仁寿有关液体表面张力的实验结果对刚刚兴起的半导体材料提供了重要的理论基础。

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除此，江仁寿还指导青年教师对典型的液体金属汞的接触角进行了一系列研究，经多次实验，发现在真空下，毛细管中水银的弯月面消失变为平面，即接触角为 ，并推断其他液体也会如此，这对液体表面现象的研究开辟了新的领域。 3 结语 金属熔体粘滞性的研究不仅可以揭示粘度的内涵，而且可以深入认识金属的液态物性-液态结构-固体性能之间的相互关系及影响，对探索金属熔体变质、晶粒细化、精炼等金属熔体处理技术的作用机理具有重要作用。目前中科院物理研究所、山东大学和哈尔滨工业大学等都开展了液态金属方面的试验及研究，但由于缺乏高精度的粘度数据及配套计算参数等等对液态金属粘滞性的研究还十分薄弱。 江仁寿从20世纪30年代开始专于液态金属物理性质粘滞性的研究，采用设计、改进的实验装置对水、钠、钾及金属合金粘滞性进行测量和研究，对液体金属熔点的表面张力进行了系统研究，首次在国际上精确测定了液态金属钠钾合金的粘滞性及液态碱金属的粘滞性等并被公认和采用，为中国近代流体力学、分子物理学以及非平衡态理论发展做出了贡献。 参考文献： [1]姚远.西北大学学人谱[M]．西安：西北大学出版社，1997：280-281． [2]中国科学技术协会编.中国科学技术专家传略理学编——物理学卷1[M].石家庄:河北教育出版社.1996:371-377. [3]尹晓冬,周金蕊.安德雷德的三位中国学生——江仁寿、钱临照、周如松成就研究[J]．大学物理，2013,32（9）:43-50. [4]白秀英，姚远.物理学家江仁寿生平与其金属粘滞性研究[J].西北大学学报（自然科学版），2014,209（22）:326-331. [5]周晓薇，陈金玉.液态金属粘滞性的研究进展[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2003,21（4）:255-259. [6]刘燕,耿浩然,孙民华等.液态金属粘滞性的研究现状与展望[J].铸造，2000,49（12）：875-878. [7]戴念祖主编．20世纪上半叶中国物理学论文集萃[M].长沙:湖南教育出社，1933:439-448． [8]Andrade E. N. da C. and Chiong Y. S. (江仁寿) On the determination of viscosity by the oscillation of a vessl enclosing a fluid[J]. Proc. Roy. Soc., 1936(4)8:247-260. [9]Chiong Y. S,Viscosity of liquid sodium and potassium[J]. Proc Roy Soc，1936(A157):264-277. [10]平一梅,田荫棠.液体合金NaK的粘滞性[J].物理学报，1966，22(7):749-756. [11]江仁寿.金属液体的表面张力[J].西北大学学报:自然科学版，1957(1):99-105. [12]江仁寿.金属液体的熔点表面张力与熔点关系[J].西北大学学报：自然科学版，1957(2):53-55.
Physicists Jiang Ren-shou contribution in the field of Chinese modern fluid mechanics Bai Xiu-ying1？， Bai Xin？ ？（Department of Physics,Weinan Normal University, Weinan 714099, China） ？（History of Science and Technology Laboratory, Capital Normal University, Beijing 100089, China) Abstract: Physicist Jiang Renshou started researching on viscosity from 30 years of the nineteenth Century. He improved on the double rotating ball method , used the inertia bar bifilar of suspension ball experiment device, measured the water, liquid sodium, potassium and sodium potassium alloy viscosity ,and analysised the factors influencing the accuracy of viscosity measurement, measurement data was recognized international scholars and used for a long period of time; Through theoretical derivation and experimental completed on the surface tension of liquid metal in the melting point, determination results provided a theoretical basis for the rise of semiconductor materials, contributed to the development of modern fluid mechanics China. Keywords: Fluid mechanics; viscosity; Jiang Ren-shou 联系电话：白秀英：15091160516 谢谢您！ 联系地址： 714099 渭南市朝阳大街西段 渭南师范学院物理系 白秀英收 E-mail: 576838908@qq.com