Методы определения вязкости жидкости

Определение вязкости жидкости по методу стокса

Методы определения вязкости жидкости
Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2016-06-20

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № Т-1

Определение вязкости жидкости по методу стокса

Приборы и принадлежности: стеклянный цилиндр с исследуемой жидкостью(глицерин), микрометр,   секундомер, свинцовые шарики.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Как в жидкостях, так и в газах, в случае нарушения пространственной однородности плотности, температуры или скорости упорядоченного движения возникают явления переноса – диффузия, теплопроводность и внутреннее трение.

Явление внутреннего трения (вязкости) связано с переносом импульса (количества движения, ) молекул жидкости из одного слоя жидкости в другой, что эквивалентно возникновению сил трения между слоями жидкости, перемещающимся параллельно друг другу с различными по величине скоростями.

1.1. Проявление сил вязкости.

Если жидкость течет по горизонтальной трубе, то давление жидкости падает в направлении её течения, в чем легко убедиться, расположив манометры вдоль трубы. Для стационарности течения на концах трубы нужно поддерживать постоянную разность давлений, уравновешивающую силы, возникающие при течении жидкости и тормозящие её – это и есть силы вязкости.

Другим примером может служить поведение жидкости во вращающемся сосуде. Если вертикальный цилиндрический сосуд, наполненный жидкостью, привести в равномерное вращение вокруг его оси, то жидкость также приходит во вращение. Сначала начинают вращаться слои жидкости, прилегающие к стенкам сосуда.

Затем вращение передается внутренним слоям, пока вся жидкость не начнет вращаться целиком как твердое тело. Таким образом, пока движение не установилось, происходит непрерывная передача вращения от сосуда к жидкости и далее, внешних слоев жидкости к внутренним.

Такая передача вращения была бы невозможна, если бы не существовало касательных сил, действующих между слоями жидкости, вращающимися с различными угловыми скоростями. Это касательные силы внутреннего трения и есть силы вязкости.

Различные жидкости с разной скоростью будут вытекать из сосуда с одним и тем же отверстием – например, вода, бензин, спирт, масло, смолы. Эти жидкости отличаются вязкостью, т.е. характеризуются разными силами внутреннего трения между слоями, препятствующими течению.

 1.2. Количественные характеристики вязкости.  

Представим себе, что поток жидкости  движется в направлении . Выделим в этом потоке два параллельных слоя А и В площадью ΔS на расстоянии Δn друг от друга, которые движутся со скоростями, соответственно,  и  (рис. 1).

Благодаря тепловому движению молекулы переходят из слоя В, движущегося со скоростью , в слой А, движущегося со скоростью  . При этом молекулы из слоя В «переносят» в слой А импульсы своего упорядоченного движения m.

Если  > , то такие молекулы при столкновении с «быстрыми» молекулами слоя А ускорят свое упорядоченное движение, а молекулы слоя А – замедлят.

Наоборот, при переходе молекул из быстрее движущегося слоя А в слой В  (стрелка D) они переносят большие импульсы m и соударения между молекулами приводит  к ускорению упорядоченного движения

«медленных» молекул  слоя В.

 Таким образом, со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленно движущийся слой действует ускоряющая сила. Наоборот, медленно перемещающийся слой тормозит более быстро движущиеся слои.

Силы трения, которые при этом возникают, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев.

Причиной внутреннего трения является наложение упорядоченного движения слоев жидкости с различными скоростями  и хаотического теплового движения молекул, интенсивность которого зависит от температуры.

Величина силы внутреннего трения описывается законом Ньютона: если слои жидкости А и В (рис.

1), движущиеся с различными скоростями  и , соприкасаются в плоскости площадки ΔS, то на эту площадку действует сила внутреннего трения f тем больше, чем больше рассматриваемая площадь поверхности слоя ΔS и тем больше, чем быстрее меняется скорость течения жидкости при переходе от слоя к слою (от слоя А к слою В):

,          (1)

где f – сила внутреннего трения,

коэффициент пропорциональности η, зависящий от природы жидкости, называется динамической вязкостью, (или просто вязкостью),

Δυ- разность скоростей слоев,

Δn – расстояние между слоями,

ΔS – площадь соприкосновения слоев.

Отношение , входящее в (1) и есть градиент скорости.

Вообще, градиентом какой – либо величины называют изменение этой величины, приходящееся на единицу расстояния, отсчитанного в направлении максимального увеличения её.

Градиент скорости показывает, как быстро меняется скорость при переходе от слоя к слою в направлении, перпендикулярном направлению движения слоев. Пусть два слоя А и В (рис. 1), текущие со скоростями υ1 и υ2, отстоят друг от друга на расстоянии n.

Тогда отношение изменения скорости υ2 – υ1  = υ к расстоянию между слоями n дает градиент скорости  .

Из формулы (1) можно  определить динамическую вязкость:

         (2),

откуда следует, что динамическая вязкость равна  силе внутреннего трения, действующей на единицу площади поверхности слоя при градиенте скорости, равном единице.

Единица вязкости  в системе СИ – Паскаль.секунда (Па.с), это динамическая вязкость среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости с модулем равным 1 м/с на 1 м возникает сила внутреннего трения в 1 Н на 1м2 поверхности касания слоев (Па.с =1 Н.с/м2).

Чем больше вязкость, тем сильнее жидкость отличается от идеальной, тем большие силы внутреннего трения в ней возникают. Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен – для жидкостей η с ростом температуры уменьшается, у газов – увеличивается.

Это указывает на различие в них механизмов внутреннего трения. При сверх- низких температурах близких к абсолютному нулю, наблюдается явление сверхтекучести. Так, жидкий гелий при Т=2,17К имеет вязкость η=0, т.е.

слои жидкого гелия при течении не взаимодействуют и энергия на внутренне трение не расходуется.

2. Определение вязкости жидкости методом Стокса.

2.1. Вывод рабочей формулы.

 Метод Стокса: основан на измерении скорости падения шарика в исследуемой жидкости.

На шарик при его равномерном падении в жидкости вертикально вниз без завихрений действуют три силы: сила тяжести, выталкивающая сила (по закону Архимеда) и сила внутреннего трения жидкости.

Слой жидкости, непосредственно прилегающий к шарику, прилипает к его поверхности и движется вместе с ним. Следующий слой увлекается за шариком с меньшей скоростью. Между слоями возникает сила внутреннего трения. По эмпирическому закону Стокса величина этой силы для шарика, движущегося с постоянной скоростью, равна:

                                   f = 3 ·· D,   (3)

где     – коэффициент вязкости,  – скорость движения шарика,

D – диаметр шарика.

При падении шарика все три силы направлены по вертикали: сила тяжести Р– вниз, выталкивающая сила F – и сила внутреннего трения– вверх. Равнодействующая этих сил R =P- F- f вызывает ускорение падения шарика.

Но с возрастанием скорости падения будет увеличиваться сила внутреннего трения, а равнодействующая R будет уменьшаться. Наконец, скорость возрастает до значения υ0, при которой равнодействующая R станет равна нулю.

После этого шарик будет двигаться равномерно с этой постоянной скоростью υ0. Такое движение называется установившимся. Для этого случая можно записать:

                                     P – F – f = 0.                                  (4)

Вес шарика равен:

                                   Р = mg = V ·· g = D3 g,

где V – объем шарика, – плотность вещества шарика, g  -ускорение свободного падения, D –  диаметр шарика.

Выталкивающая сила Архимеда (равная весу вытесненной жидкости) равна:

                                   F = m1  g = V· 1·g =   D3 1 g,

где  1 – плотность жидкости,  m1 – масса жидкости в объеме шарика.

 Сила внутреннего трения равна:

                                   f = 3 D υ0.

 Подставим значения , F, f в (4), получим:

– –3 D υ0 = 0.                  (5)

 Решая  (5) относительно , найдем

                                        = ·.   (6)                                        

Так как υ0 =, то рабочая формула для определения вязкости по времени падения окончательно записывается так:

                                          =  ·.   (7)            

Используя формулу Стокса (3) и аналогичные рассуждения об условиях равномерного движения заряженной капли масла в электрическом поле, Р. Милликеном впервые был измерен заряд электрона и доказан атомизм электричества (1916г).

Экспериментальная часть

Описание прибора: прибор состоит из стеклянного цилиндра, наполненного исследуемой жидкостью. На цилиндре имеются две горизонтальные проволочные метки, отстоящие одна от другой на расстоянии l. С помощью штатива цилиндр устанавливается строго вертикально.

Порядок выполнения работы:

  1.  Измерить диаметр каждого шарика микрометром 3 раза в различных точках и найти среднее  значение диаметра D, как среднее арифметическое.  Результаты замеров и вычислений занести в Таблицу 1.
  1.  Установить верхнюю метку на 3-5 см ниже уровня жидкости в цилиндре,  

чтобы шарик при падении проходил верхнюю метку уже с установившейся скоростью, и измерить расстояние l между метками по шкале штатива.

  1.  Опустить шарик в жидкость по оси цилиндра и секундомером измерить время t прохождения шариком расстояния l между метками.
  1.  Вычислить коэффициент вязкости по формуле:        

                                    = 

  1.  Найти среднее значение , результаты измерений занести в Таблицу 2.

Таблица 2.

D (м)t(c)кг/м3        (свинец)1 кг/м3  (глицерин)l (м)i  кг/мссркг/мсiкг/мссркг/мс
1113001200
2
5
  1.  Вычислить абсолютную и относительную погрешности измерения η по следующей схеме:

а) вычислить ηi для каждого измерения;

б) рассчитать среднее значение ηср как среднее арифметическое;

в) вычислить абсолютную погрешность Δηi для каждого измерения:

Δηi = ηср – ηi 

г) рассчитать среднюю абсолютную погрешность:

Δηср = (1/т)Σ | Δ ηi |

д) окончательный результат записать в виде η = ηср ± Δ ηср

е) вычислить относительную погрешность измерений Δ ηср / ηср · 100%

Контрольные вопросы:

  1.  Какие свойства жидкостей указывают на наличие внутреннего трения в них?
  1.  Как кинетическая теория объясняет вязкость жидкостей?
  1.  Каким законом подчиняются силы внутреннего трения? Сформулируйте закон Ньютона для вязкости жидкостей.
  1.  4)Что такое градиент скорости?
  1.  Физический смысл коэффициента вязкости η. Как он зависит от температуры для жидкостей, газов? Приведите примеры такой зависимости.
  1.  Изложите метод Стокса определения вязкости. Вывод рабочей формулы.

Литература

1. Трофимова Т.И. «Курс физики», М., 1985, стр. 50-52.

2. Сивухин Д.В. «Общий курс физики», Т.I., М. 2005, стр. 499-506.

3. Сивухин Д.В. «Общий курс физики», Т.III., М. 2005, стр. 382-386.

А

В

С

D

ΔS

Δh

Источник: http://samzan.ru/144162

Вязкость жидкости

Методы определения вязкости жидкости

Определение 1

Вязкость жидкости означает внутреннее трение и представляет собой одно из явлений переноса.

Другим словами, это свойство текучих тел (то есть газов и жидкостей), которое заключается в оказании сопротивления перемещению одной их части в отношении другой.

Следствием такого перемещения становится работа, которая изначально затрачивалась на данное перемещение, а затем происходит ее рассеивание в виде тепла.

Рисунок 1. Вязкость жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Принцип действия механизма внутреннего трения в жидкостях и газах при этом заключается в переносе хаотически движущихся молекул импульса от одного слоя к другому, что, в свою очередь, способствует выравниванию скоростей (введение такого понятия как сила трения). Таким образом вязкость твёрдых тел обладает целым набором специфических особенностей.

Виды вязкости

Существует несколько разновидностей вязкости:

  • динамическая;
  • кинематическая;
  • условная.

Динамическая вязкость в международной измерительной системе измеряется в паскалях в секунду. С точки зрения физики, данная величина демонстрирует изменение потерь давления за единицу времени.

В системе СГС она измерима в пуазах (название дано в честь французского физика Ж. Пуазёйля.

Динамическая вязкость жидкостей склонна уменьшаться при увеличении температуры, а ее повышение наблюдается с увеличением показателя давления.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Измерение кинематической вязкости осуществляется в стоксах, что представляет основополагающее значение свойства текучих сред. При задействовании специального прибора вискозиметра становится возможным измерение вязкости любой жидкости. Ее тарированный объем пропускается через калиброванное отверстие (исключая механическое побуждение) и под влиянием одной только силы тяжести.

Рисунок 2. Динамическая вязкость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Условная вязкость представляет величину, косвенным образом характеризующую гидравлическое сопротивление течению. При этом она измеряется временем истечения заданного объема раствора через вертикальную трубку с определенным диаметром. Измерение осуществляется в градусах Энглера (в честь немецкого химика).

Методы определения вязкости жидкости

Рисунок 3. Методы определения вязкости жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Процесс измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. В современных условиях определение вязкости жидкости становится возможным с помощью следующих четырех методов:

  1. Капиллярный метод. Для проведения этого метода потребуется наличие двух сосудов, которые соединены между собой посредством стеклянного канала с небольшим диаметром и с известной длиной. Также потребуется изначальное знание значения давления в каждом из сосудов. Жидкость помещают в стеклянный канал, а она далее за определенный промежуток времени перетекает из одной колбы в другую. Дальнейшие подсчеты будут производиться благодаря формуле Пуазейля (определение коэффициента вязкости жидкости). Современные капиллярные вискозиметры состоят из качественного и стойкого материала, способного выдерживать большие температурные нагрузки.
  2. Медицинский метод по Гессе. С целью расчета вязкости жидкости таким образом, потребуется наличие не одной, а двух идентичных капиллярных установок, в одну из которых помещается среда с предварительно известным значением внутреннего трения, а во второй будет находиться помещенная туда исследуемая жидкость. В дальнейшем выполняется измерение двух значений времени и составление пропорции, по которой можно выйти на нужное число.
  3. Ротационный метод потребует наличия конструкции из двух соосных цилиндров, что предполагает нахождение одного и них внутри другого. В промежуток между ними заливается жидкость, а далее внутреннему цилиндру придается определенная скорость. данная угловая скорость также сообщается жидкости. Вязкость среды определяется при этом благодаря разнице в силе момента.
  4. Метод Стокса. Проведение такого опыта требует наличие вискозиметра Гепплера, представляющего собой заполненный жидкостью цилиндр. До начала эксперимента на цилиндре делаются две пометки и затем между ними измеряется длина. Дальше берется шарик определенного радиуса R, который затем опускается в жидкую среду. Для вычисления скорости его падения определяется время передвижения объекта от одной метки к другой. Знание скорости движения шарика позволяет определить вязкость жидкости.

Вязкость в практическом применении

Замечание 1

Известны способы широкого применения свойства вязкости жидкости в практическом смысле. Так, определение вязкости большое практическое значение имеет: в условиях нефтеперерабатывающей промышленности. работа с многофазными, дисперсными средами подразумевает знание их физических свойств, в особенности – внутреннего трения.

Современные вискозиметры делаются из прочных материалов, а их производство требует задействования передовых технологий.

В комплексе это позволяет производить работу с высокой температурой и давлением без повреждений оборудования.

Вязкость жидкости большую роль играет и в промышленности, поскольку транспортировка, добыча и переработка, например, нефти будут зависеть от значений внутреннего трения у жидкостной смеси.

Также существенную роль свойство вязкости жидкости играет и для медицинского оборудования. Так, поступление газовой смеси посредством эндотрахеальной трубки зависит от внутреннего трения данного газа. Здесь по-разному будет отражаться изменение значений вязкости среды на проникновении воздуха через аппарат (зависимость от состава газовой смеси).

Введение вакцин и лекарственных препаратов, через шприц также представляет яркий пример действия вязкости среды. Здесь имеются в виду перепады давления на конце иголки в момент впрыскивания жидкости, несмотря на факт изначального пренебрежения учеными данным физическим явлением. Возникновение высокого давления на наконечнике представляет собой следствие действия внутреннего трения.

Таким образом, вязкость среды считается одной из физических величин, обладающей широким практическим применением. В лаборатории, промышленности, а также медицине понятие внутреннего трения фигурирует довольно часто. Функционирование простейшего лабораторного оборудования зависимо от степени вязкости среды, используемой в исследованиях.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_zhidkostey/vyazkost_zhidkosti/

Методы определения вязкости растворителей

Методы определения вязкости жидкости

Огромное практическое значение измерений вязкости различных растворителей, уксусной кислоты и других веществ с целью контроля технологических процессов обусловило разнообразие экспериментальных методов определения вязкости.

Методы определения условной вязкости растворителя

Все методы можно разделить на условные и абсолютные. Метод определения условной вязкости является экспресс-методом, часто используемым на практике. Он основан на измерении продолжительности истечения известного объема жидкости из капилляра или воронки с отверстием определенного диаметра. Вязкость растворителя по этому методу измеряется в секундах.

Для этого используют вискозиметр ВЗ-246 со съемными соплами диаметром 2,4 и 6 мм с термостатированным измерительным узлом. За рубежом применяются аналогичные вискозиметры марок «Форд-3», «Форд-4» (Англия, США), ДИН-4 (ФРГ) и др.

Следует отметить, что описанный метод применим для исследования ньютоновских систем; при использовании его для структурированных систем получаемые результаты имеют плохую сходимость.

Как определить абсолютную вязкость растворителя?

Методы измерения абсолютной вязкости очень разнообразны, что определяется использованием приборов с рабочими узлами различной геометрической формы и различными схемами создания потока и измерения его характеристик. Конкретные границы возможностей тех или иных экспериментальных методов зависят от конструктивного оформления прибора.

Метод определения вязкости с помощью капиллярного вискозиметра. В настоящее время в капиллярной вискозиметрии используют различные приборы для исследования в лабораторной практике и на производстве. К последним относятся грузовые и рычажные вискозиметры для определения вязкостных характеристик термопластов, вискозиметры для определения индекса расплава и др.

Для определения вязкости расплава термопластов применяется вискозиметр МВ-2. Образец, помещенный в резервуар прибора цилиндрической формы, под действием груза продавливается через капилляр определенного диаметра.

Объемный расход материала определяется с помощью индикаторной головки часового типа, которая упирается в верхнюю часть поршня, давящего на образец. Скорость хода поршня измеряется по шкале индикатора и времени.

Для определения абсолютной вязкости разбавленных растворов полимеров и олигомеров и низкомолекулярных жидкостей большое распространение получили стеклянные вискозиметры Оствальда и Убеллоде; последний выпускается под названием ВПЖ.

На вискозиметрах такого типа можно определять вязкость до 1-102 мПа-с. Для измерения абсолютной вязкости на вискозиметрах этого типа определяют продолжительность прохождения определенного объема жидкости между двумя метками.

Полагают, что вязкость пропорциональна плотности жидкости и продолжительности истечения то калиброванного объема жидкости.

Определяем вязкость методом падающего шарика

Традиционным методом определения вязкости различных жидких систем, включая уксусную кислоту и многокомпонентные растворители, является метод падающего шарика. При движении тела в вязкой жидкости сопротивление его перемещению зависит от ее вязкости.

Для определения вязкости жидкости по скорости движения в ней твердого тела используют приборы, в которых шарик падает в вертикальной плоскости. Как правило, измерение вязкости методом падающего шарика проводят при небольших скоростях его движения, т. е. при низких значениях числа Рейнольдса. Этот метод рекомендуется применять только для оценки вязкости ньютоновских жидкостей.

Определение вязкости растворителей пластомерами

Для определения вязкости высоковязких систем применяются пластометры – приборы, различающиеся по конструкции и принципу действия.

Среди пластометров можно выделить три основных типа: сдвиговые, сжимающие и пластометры с телескопическим сдвигом.

Наиболее широкое применение из сдвиговых пластометров имеют пластометры с плоскопараллельными пластинами, между которыми помещается образец; одна пластина закреплена неподвижно, другая движется с постоянной скоростью.

На пластометрах этого типа можно проводить исследования при Р = const и е = const. Кроме того, они могут быть использованы для исследования высоковязких жидкостей при очень малых скоростях деформаций, т. е. для определения начальной вязкости без разрушения структуры вещества.

Принцип действия сжимающих пластометров состоит в том, что исследуемый образец помещается между двумя плоскопараллельными пластинками, обычно имеющими форму дисков, и сдавливается под действием внешнего усилия F.

Источник: https://www.dcpt.ru/otrasl/metody-opredeleniya-vyazkosti-rastvoritelei/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.