Лабораторная работа № 1

«Изучение физических свойств жидкости»

Цель работы: Освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости, поверхностного натяжения жидкостей.

1. Общие сведения

Жидкость - малосжимаемое тело, изменяющее свою форму под действием малых сил. Основные характеристики жидкости – плотность, сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и поверхностное натяжение.

Плотность – отношение массы жидкости к ее объему:

ρ=m/W, где (1)

ρ - плотность жидкости,

m - масса жидкости,

W - объем жидкости.

Сжимаемость – свойство жидкости уменьшать объем под действием давления. Оценивается коэффициентом сжимаемости, показывающим относительное уменьшение объема жидкости при повышении давления на единицу:

βp=(∆W/W)/∆p, где (2)

βp - коэффициент сжимаемости,

W - объем жидкости,

∆W - приращение объема,

∆p - давление.

Тепловое расширение – свойство жидкости изменять объем при нагревании – характеризуется коэффициентом теплового расширения , равным относительному приращению объема с изменением температуры на один градус при постоянном давлении:

βт=(∆W/W)/∆T, где (3)

βт - коэффициент теплового расширения,

W - объем,

∆W - приращение объема,

∆T - температура.

Вязкость – свойство жидкости сопротивляться относительному скольжению ее слоев. Ее оценивают динамическим коэффициентом вязкости μ, который измеряется в (Па*с) и равен касательному напряжению между соседними слоями, если их относительная скорость перемещения численно совпадает с толщиной слоя. Кинематический коэффициент вязкости v определяют из формулы:

v= μ/ρ, где (4)

v - кинематический коэффициент вязкости,

μ- динамический коэффициент вязкости,

ρ - плотность жидкости.

и измеряют в (м²/с) или стоксами Ст. Эти коэффициенты определяются видом жидкости, не зависят от скорости течения, уменьшаются с возрастанием температуры.

Поверхностное натяжение – свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул – характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения δ, равным силе на единицу длины контура свободной поверхности.

1.2 Описание устройства №1

Устройство для изучения физически свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в общем прозрачном корпусе, на котором указаны параметры для обработки опытных данных. Термометр показывает температуру окружающей среды и жидкостей во всех устройствах.

1.3 Порядок выполнения работы:

1.3.1 Определение коэффициента теплового расширения жидкости

Термометр имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненным термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на тепловом расширении жидкостей. Варьирование температуры окружающей среды приводит к соответствующему изменению объема термометрической жидкости ее уровня в капилляре. Уровень показывает на шкале значение температуры.

Рисунок 1 – Схема устройства №1

1 Термометр; 2 ареометр; 3 вискозиметр Стокса;

4 Капиллярный вискозиметр; 5 сталагмометр.

Коэффициент теплового расширения термометрической жидкости определяется в следующем порядке на основе эксперимента, т.е. предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) верхнего предельных значений термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину l.

1 Подсчитать общее число градусных делений ∆T в шкале термометра и измерить расстояние l между крайними штрихами шкалы.

2 Высчитать приращение объема термометрической жидкости

∆W=πr² l, где (5)

∆W - приращение объема термометрической жидкости,

l - расстояние между крайними штрихами шкалы,

r - радиус капилляра термометра.

∆W=3,14*0,0001*5,4=0,002 см³

3 С учетом начального (при 0°С) объема термометрической жидкости W найти значение коэффициента теплового расширения

βт=(∆W/W)/∆T, где (6)

βт - коэффициент сжимаемости,

W - объем жидкости,

∆W - приращение объема,

∆p - давление.

βт=(0,00006/0,02451)/24=0,001°с^-1

сравнить его со справочным значением . Значение используемых величин занести в таблицу 1.

Таблица 1

Вид жидкости	r, см	W, см3	∆T,°С	l, см	∆W, см3	, °С-1	*, °С-1
Спирт	0,01	0,0245	24	1,9	0,0006	0,001	1,10*10-3

1.3.2 Измерение плотности жидкости ареометром

Ареометр(2) служит для измерения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована сразу по плотности.

В ходе работы выполнить следующие операции:

1 Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нем.

2 Вычислить плотность жидкости по формуле

ρ = 4m/(πd²h), где (7)

ρ - плотность жидкости,

h - глубину погружения,

m - масса ареометра,

d - диаметр ареометра.

ρ = 22,4 / 24,6961= 0,92

Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра

G=mg, где (8)

G - силы тяжести ареометра,

m - масса ареометра,

g - ускорение свободного падения.

и выталкивающей (архимедовой) силы

P_A= ρgW, где (9)

P_A - выталкивающая (архимедова) сила,

ρ - плотность жидкости,

g - ускорение свободного падения,

W - объем жидкости.

объем погруженной части ареометра

W=( πd2/4)h, где (10)

W- объем погруженной части ареометра,

d - диаметр ареометра,

h - высота ареометра.

3 Сравнить опытное значение плотности ρ со справочным значением ρ. Значение используемых величин свести в таблицу 2.

Таблица 2

Вид жидкости	m, г	d, см	h, см	ρ, г/см3	ρ*, г/см3
Вода	5,71	1,1	6,5	0,92	0,99

1.3.3 Определение вязкости вискозиметром Стокса

Вискозиметр Стокса 3 достаточно прост, содержит цилиндрическую ёмкость, заполненную исследуемой жидкости, и шарик. Прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени падения шарика в ней следующим образом.

1 Повернуть устройство №1 в вертикальной плоскости на 180° и зафиксировать секундомером время t прохождения шариком расстояния l между двумя метками в приборе 3. Шарик должен падать по оси емкости без соприкосновения со стенками. Опыт выполнить три раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t.

2 Вычислять опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости

V=gd²t(ρ_ш/ρ-1)/[18l+43,2l(d/D)],где (11)

V - кинематический коэффициент вязкости жидкости,

g - ускорение свободного падения,

d - диаметры шарика,

D - диаметр цилиндрической емкости,

ρ - плотности жидкости,

ρ_ш - плотность материала шарика.

V= (0,0072128*0,24) / 2,4696 = 0,0007 м²/с

3 Сравнить опытное значение коэффициента вязкости V c табличным значением V*. Значения используемых величин свести в таблицу 3.

Таблица 3

Вид жидкости	ρ, кг/м3	t, с	l, м	d,м	D, м	ρш, кг/м3	V,м2/с	V*, м2/с
М-10	900	11,5	0.07	0.008	0.02	1118	0.0007	800*10-6

1.3.4 Измерение поверхностного натяжения сталагмометром

Сталагмометр 5 служит для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и содержит емкость с капилляром, расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна ее весу (силе тяжести) и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении емкости с заданным объемом.

1 Перевернуть устройство №1 и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 5 из объема высоты S между двумя метками. Опыт повторить три раза и вычислить среднее арифметическое значение числа n.

2 Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения

δ=Kρ/n, где (12)

δ - коэффициент поверхностного натяжения,

K - постоянная сталагмометра,

n - число капель

ρ- плотность жидкости.

δ=6,003 / 250=24*10^-3Н/м

и сравнить его с табличным значением δ. Данные свести в таблицу 4.

Таблица 4

Вид жидкости	К, м/с2	ρ, кг/м3	n	δ, Н/м	δ*, Н/м
М-10	6.67*10-3	900	250	24*10-3	25*10-3

Выводы:

1) В данной лабораторной работе с помощью портативной гидротехнической лаборатории «Капелька» (устройство №1) получены значения коэффициентов температурного расширения, плотности, вязкости, силы поверхностного натяжения различного вида жидкостей.

2) Опытные и расчетные результаты совпадают приближенно, необходима статистика опытов.

Лабораторная работа №2.

«Изучение приборов для измерения давления»

Цель работы. Изучение устройства и принципа действия жидкости приборов для измерения давления.