- •Часть 2: жидкости и процессы в них
- •Часть 3: твердые тела и процессы в них
- •Часть 2: жидкости и процессы в них
- •2.1. Определение вязкости по методу Стокса.
- •2.2. Определение вязкости с помощью капиллярного визкозиметра.
- •3.Установка и порядок работы.
- •3.1. Определение вязкости по методу Стокса.
- •Порядок выполнения работы:
- •3.2. Определение вязкости с помощью капиллярного вискозиметра.
- •Порядок выполнения работы:
- •4. Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа 2-2
- •Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •2.1. Поверхностное натяжение
- •2.2. Краевые углы. Условия равновесия на границе жидкости и твердого тела
- •2.3. Формула Лапласа.
- •2.4. Капиллярные явления.
- •3. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца.
- •4. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом компенсации разности давлений в капилляре.
- •5. Порядок выполнения работы.
- •5.1. Определение σ по методу отрыва кольца.
- •5.2. Определение σ капиллярным методом.
- •6. Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа 2-3 определение фазовых переходов химически однородных веществ
- •Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •2.1. Фаза. Фазовые превращения. Условие фазового равновесия.
- •2.2. Фазовые переходы первого и второго рода.
- •2.3. Диаграмма состояния с тройной точкой.
- •3. Методика выполнения работы и описание установки.
- •3.2. Методика выполнения работы.
- •4. Порядок выполнения работы.
- •4.2. Нахождение точки фазового перехода исследуемого вещества.
- •5. Контрольные вопросы.
- •Часть 3: твердые тела и процессы в них
- •Лабораторная работа 3-1
- •Измерение коэффициента теплопроводности
- •Твердого тела
- •Цель работы
- •2. Теоретические пояснения.
- •3. Экспериментальная установка.
- •4. Порядок выполнения работы.
- •5. Контрольные вопросы.
- •Лабораторная работа 3-2 определение коэффициента линейного расширения твердого тела
- •Цель работы
- •2. Теоретические пояснения
- •3. Методика выполнения работы
- •4. Описание установки
- •5. Порядок выполнения работы
- •6. Контрольные вопросы
- •Список литературы
Запороцкова И.В.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Часть 2: жидкости и процессы в них
Часть 3: твердые тела и процессы в них
Методическое пособие по общему физическому практикуму
Волгоград, 2010
Часть 2: жидкости и процессы в них
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2-1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ СТОКСА И МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРНОГО ВИСКОЗИМЕТРА
1.Цель работы
Целью работы является ознакомление с явлением вязкости жидкостей и с методикой определения внутреннего трения по методу Стокса и с помощью капиллярного вискозиметра.
2. Теоретические пояснения
При движении различных тел в жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, препятствующие перемещению слоев жидкости, а значит и движущегося в ней тела. Прилегающие к телу слои жидкости движутся со скоростью тела, а у более удаленных скорость слоев уменьшается. Согласно закону Ньютона, сила вязкости (сила внутреннего трения) F, препятствующая скольжению слоев жидкости, определяется уравнением:
F= -ή S (dv/dx), (1)
при условии, что градиент скорости направлен вдоль х (перпендикулярно направлению движения. Коэффициент ή называется коэффициентом внутреннего трения, или коэффициентом динамической вязкости жидкости. Он зависит от природы жидкости и ее физических характеристик (таких как температура). Коэффициент вязкости можно определить, изучая относительное движение жидкости и соприкасающихся с ней твердых тел. В нашей работе использованы два метода определения: а) по движению шарика в жидкости под действием силы тяжести; б) по течению жидкости через капилляр.
2.1. Определение вязкости по методу Стокса.
В методе Стокса измеряют установившуюся скорость падения шарика в жидкости.
На твердый шарик, падающий в жидкости, действуют три силы: сила тяжести, архимедова сила и сила трения, обусловленная вязкостью жидкости. Для шарика, падающего в безграничной жидкости, Стоксом вычислена сила трения:
Fст = 6πRvή, (2)
где R – радиус шарика, v – скорость его падения, ή - динамическая вязкость жидкости.
Формула (2) применима только для случая, когда обтекание шарика жидкостью является безвихревым, т.е. число Рейнольдса Re = (ρжvR)/ή мало по сравнению с единицей (Re << 1).
По второму закону Ньютона можем записать:
→ → → →
ma = mg + Fарх + Fст
Если три упомянутые выше силы скомпенсированы, то падение шарика происходит с постоянной скоростью vо (ускорение а = 0). Равенство сил запишем в виде:
mg - Fарх –Fст = 0,
или
ρшVшg – ρжVшg = 6πRήvо,
где ρш – плотность шарика, ρж – плотность жидкости, Vш – объем шарика, или
(4/3) πR3g(ρш - ρж) = 6πRήvо . (3)
Тогда, измерив R, vо и зная плотности жидкости и шарика, можно определить ή. Зная ή, нетрудно вычислить число Рейнольдса Re = (ρжv0R)/ή. Если Re << 1, то определение вязкости по формулам (2) и (3) проведено достаточно точно. Если же условие Re<<1 не выполнено, то формула Стокса (2) должна быть заменена уточненной формулой:
F =6πRήvо (1 + (3/8) Re) (4)
Кроме того, на движение шарика определенное влияние оказывают стенки сосуда (в реальности жидкость не безгранична). Если шарик падает вдоль оси цилиндрического сосуда с жидкостью, то с учетом (4) вязкость определяется выражением:
2gR2(ρш - ρж)
ή = (5)
9vо (1+(3/8)Re) (1+2,4 (R/Rк))
где Rк – радиус цилиндрической колбы с жидкостью.
В (5) не учтено также слабое влияние свободной поверхности жидкости и дна колбы. Легко видеть, что вязкость входит и в правую часть формулы (5), а именно в число Рейнольдса Re. Поэтому вычисление вязкости ή по измеренным R и Re проводится по следующей схеме:
- сначала вычисляется вязкость ή1 в предположении, что Re = 0,
- затем по величине ή1 вычисляется Re = (ρжvR)/ή1
- и подставляется в (5).
В результате получаем подправленное значение вязкости ή2.
Если (ή2 - ή1)/ ή1 << 1 (это происходит, если Re << 1), то за окончательное значение вязкости можно взять величину ή2.