Министерство образования рф

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

СЕВМАШВТУЗ

ФАКУЛЬТЕТ: IV

КАФЕДРА: ФИЗИКИ

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

СЕВЕРОДВИНСК

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13.

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

1. ЦЕЛЬ И МЕТОД РАБОТЫ.

Целью работы является определение коэффициента внутреннего трения трансформаторного масла.

Метод: относительно-сравнительный в основе которого лежит измерение времени истечения исследуемой и эталонной жидкостей через капиллярный вискозиметр.

2. OCHOBHЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.

Если в движущейся жидкости различные слои ее имеют различные скорости, то между слоями возникают силы трения. На слой, движущийся быстрее, действует замедляющая сила, а на слой, движущийся медленнее – ускоряющая сила. Это свойство движущейся жидкости называется вязкостью или внутренним трением жидкости (1).

Сила вязкости , которую нужно преодолеть для того, чтобы два смежных слоя жидкости скользили один по другому, пропорциональна площади слоев и градиенту скорости , то есть

. (1)

Здесь градиент скорости представляет собой изменение скорости на единице длины, взятой перпендикулярно к слоям(рис.1). Иными словами – изменение скорости вдоль координаты .

- коэффициент внутреннего трения жидкости или коэффициент динамической вязкости жидкости;

- сила, действующая на площадь слоя жидкости;

- нормаль к поверхности слоев жидкости.

При градиенте скорости

(2)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ.

Коэффициент внутреннего трения жидкости равен силе, действующей на единицу площади слоя, когда на единице длины, взятой перпендикулярно к слоям, скорость меняется на единицу ().

За единицу измерения коэффициента вязкости в системе СИ принимается Ньютон-секунда на квадратный метр ().

ОПРЕДЕЛЕНИЕ.

Ньютон-секнуда на квадратный метр – это коэффициент динамической вязкости такой жидкости, в которой слоя испытывает силу при градиенте .

Коэффициент внутреннего трения жидкости сильно зависит от температуры и с повышением температуры жидкости уменьшается. Приборы, служащие для измерения вязкости жидкостей и газов называются вискозиметрами. Для определения вязкости наблюдают течение жидкости через узкую капиллярную трубку.

Рассмотрим течение жидкости в трубе. При слоистом (ламинарном) течении жидкости (рис.2) скорость является максимальной в точках, наиболее удаленных от стенок. Частицы жидкости, непосредственно прилегающие к стенке трубы, остаются неподвижными. Скорость движения жидкости в трубе можно описать уравнением параболического вида

(3)

где - падение давления на единице длины трубы;

- радиус трубы;

- скорость частицы жидкости в точке, находящейся на расстоянии от оси трубы.

Практически важной является средняя скорость течения жидкости по трубе.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ.

Закон Пуазеля покзывает, что средняя скорость даминарного течения жидкости по трубе пропорциональна падению давления на единице длины трубы, квадрату радиуса трубы и обратно пропорциональна коэффициенту вязкости жидкости.

(4)

Объем жидкости , протекающий в 1 секунду через поперечное сечение трубы , равен произведению средней скорости течения на площадь поперечного сечения, то есть и при

(5)

из формулы видно, что количество вытекшей жидкости за 1 секунду при прочих равных условиях пропрционально четвертой степени радиуса трубы.

За любой промежуток времени объем вытекшей жидкости определяется формулой Пуазейля

(6)

формула (5) и (6) дает возможность определить коэффициент вязкости.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ,

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

На рис.3 представлена схема установки.

Рис.3

Для измерения коэффициента внутреннего трения используется капиллярный вискозиметр. Капиллярный вискозиметр (рисю3) представляет собой стеклянную трубку АВ. Эта трубка имеет капилляр К, который вверху заканчивается расширением, переходящим в шарики , ограничивающие вполне определенный объем, время наполнения которого через капилляр измеряется на опыте. Вискозиметр АВ опущен в пробирку Д с исследуемой жидкостью. Пробирка Д, в свою очередь, помещена в стеклянный цилиндр-сосуд В¢, наполненный водой для поддержания постоянной температуры. Температура воды измеряется термометром .

Резиновая трубка Е соединяет вискозиметр с делительной воронкой Г, имеющей в нижней части краник К₂ для слива воды. Делительная воронка Г примерно до половины залита водой, а сверху герметично закрыта пробкой через которую проходит две стеклянные трубки. Одна трубка через краник К₁ соединяет воздушную полость делительной воронки Г с атмосферой, а другая трубка через резиновую трубку Е соединяет ее с вискозиметром. Цилиндрический сосуд В¢ с водой ставится на электроплитку, мешалка М, опущенная в него, приводится во вращение от электродвигателя (на рис. Не указано) и служит для выравнивания температуры воды в сосуде В¢ по всему объему.

В данной работе для определения коэффициента внутреннего трения пользуемся методом сравнения, сущность которого заключается в измерении времени истечения жидкостей (через вискозиметр АВ) при совершенно равных условиях (температуре, объемах сечения трубки и т.д.). Для двух жидкостей, обладающих различной вязкостью, можно записать

; (7)

Разделив второе уравнение на первое, получим

, (8)

отсюда

(9)

Если жидкости вытекают под действием силы тяжести, то есть падение давления для каждой жидкости определяется формулой вида

и , (10)

то отношение падения давления будет равно отношению плотностей при одинаковых высотах столба жидкостей, то есть

. (11)

Окончательная формула для определения коэффициента вязкости жидкости имеет вид

(12)

где и - коэффициент вязкости эталонной и исследуемой жидкостей;

и - время истечения через АВ эталонной и исследуемой жидкостей;

и - плотности эталонной и исследуемой жидкостей при данных температурах.

В нашей лаборатории используется капиллярный вискозиметр для определения коэффициента внутреннего трения трансформаторного масла по известному коэффициенту внутреннего трения воды, плотности воды и масла, времени истечения воды, которые берутся из специальной таблицы при температуре данного опыта. Время истечения трансформаторного масла через капиллярный вискозиметр АВ – измеряется.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Подготовить установку к работе, для чего необходимо:

а) проверить подключение электроплитки к щиту питания;

б) делительная воронка Г должна быть заполнена примерно до середины водой. Кран К₂ должен быть закрыт, а К₁ – открыт. Под делительной воронкой Г должна стоять пустая чаша 2.

2. Включить в сеть электроплитку и нагреть воду в термостате до 25°С. при достижении этой температуры закрыть кран К₁, открыть кран К₂ делительной воронки Г. В этом положении кранов вода из делительной воронки будет выливаться в чашу, а исследуемая жидкость в вискозиметре будет подниматься в шарик С. Когда мениск исследуемой жидкости поднимается выше отметки закрыть кран К₂ и открыть К₁. Жидкость в вискозиметре под действием силы тяжести начнет опускаться. Когда мениск жидкости достигнет метки , пустить в ход секундомер. В момент прохождения мениском исследуемой жидкости метки остановить секундомер, который покажет время истечения данного объема жидкости через капилляр.

3. Производить замеры времени истечения исследуемой жидкости через каждые 5°С вплоть до 80°С.

ЗАМЕЧАНИЕ: Если температура воды в термостате растет слишком быстро, то необходимо отключить электроплитку.

Результаты измерений занести в таблицу №1.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. По формуле (12) вычислить коэффициент внутреннего трения трансформаторного масла для каждого значения температуры.

2. , , - взять из специальной таблицы (на столе).

3. Построить график зависимости .

4. Рассчитать погрешности (для определенного значения температуры)

(13)

откуда

.

5. Записать окончательный результат в форме

(14)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Чем обусловлена вязкость жидкости? Единицы измерения вязкости.

2. Что называется динамической вязкостью и кинематической?

3. Почему вязкость жидкости при повышении температуры уменьшается?

4. В чем особенности абсолютного метода в определении (формула Пуазейля) и того, который предложен в работе.

5. Указать систематические ошибки в работе.

Таблица №1

Температура °С

Время истечения исследуемой жидкости

Время истечения воды

Плотность исследуемой жидкости

Плотность воды

Коэффициент динамической вязкости воды

Коэффициент динамической вязкости исследуемой жидкости

ЛИТЕРАТУРА

1. И.В. Савельев. Курс общей физики. М.: «Наука», 1977, т.1 §75,77.

2. Физический практикум (механика и молекулярная физика) под редакцией Ивероновой В.И.. М.: «Наука», 1967, стр. 230-232.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ.

1. При проведении опытов следить за уровнем воды в делительной воронке и не допускать перепада давлений, способного вызвать случайное засасывание масла из вискозиметра в резиновую трубку.

2. Не допускать чрезмерный нагрев воды в термостате (свыше 80°С).

3. При проведении опытов следить за положением электромешалки в сосуде Д (отсутствие касания на стекло).

4. После выполнения работы отключить электроплитку от сети.

Дата добавления: 2015-08-28