Федеральное агентство по образованию
Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Московский государственный технологический
университет "Станкин"
Егорьевский технологический институт
Определение коэффициента вязкости жидкости
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
ЕТИ.Ф. 02
Егорьевск 2007
Составитель ст. преподаватель Никифоров В.Ю.
Рецензент к.ф-м.н. Бурмистров А.В.
В методических указаниях даны основные определения молекулярной физики и термодинамики, рассмотрены: свойства жидкости, в т.ч. поверхностное натяжение, смачивание, уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости, понятия вязкости (внутренние трение) жидкости, ламинарное и турбулентное течений жидкости, рассмотрены методы измерения коэффициента вязкости, в частности метод Стокса, экспериментальное определение коэффициента вязкости по методу Стокса.
Методические указания предназначены для студентов 2 курса, обучающихся по Специальностям: 151001 «Технология машиностроения», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (машиностроение)», 280202 «Инженерная защита окружающей среды» по дисциплине "Физика" при изучении раздела «Молекулярная физика и термодинамика».
Методические указания обсуждены на заседании кафедры естественно-научных дисциплин.
Протокол № от
Заведующий кафедрой А.П. Нилов
Программа согласована с выпускающей кафедрой технологии, оборудования и автоматизации машиностроительных производств
Заведующий кафедрой _______________ О.Г. Драгина
Программа согласована с выпускающей кафедрой технологий автоматизированного производства
Заведующий кафедрой _______________ Е.А. Копейкин
Программа согласована с выпускающей кафедрой экологии технологических процессов
Заведующий кафедрой _______________ В.Д. Гладун
Методические указания рассмотрены и одобрены методическим советом института
Протокол № от
Председатель совета А.Д.Семенов
Определение коэффициента вязкости жидкости
Цель работы: ознакомиться с физической сущностью явления вязкости жидкости. Научиться измерять коэффициент вязкости методом Стокса.
Оборудование и материалы: Высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью, лабораторные весы, стальные шарики, линейка, штангенциркуль или микрометр, секундомер, мерный цилиндр.
Содержание работы
3.1 .Изучить теоретический материал
Подготовить конспект лабораторной работы
Ответить на контрольные вопросы.
Определить коэффициент вязкости машинного масла.
Оформить отчет по работе.
Теоретические сведения к работе
4.1 Свойства жидкости. Поверхностное натяжение, смачивание.
Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твёрдым телам, обладают определённым объёмом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся.
М
ежду
молекулами вещества действуют силы
молекулярного притяжения и отталкивания.
На рисунке
1
изображена зависимость сил отталкивания
и притяжения двух соседних молекул от
расстояния между их центрами.
Равнодействующая сил притяжения и
отталкивания, действующих на каждую
молекулу, изображена пунктирной линией.
Эта равнодействующая дважды обращается
в нуль — при расстояниях 2rм
и r0.
Условно rм
называют радиусом молекулы, а r0—
радиусом сферы молекулярного действия
(rм≈10-8см;
r0≈10-6см).
Рисунок 1 Качественная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния r между молекулами
Когда расстояние между центрами молекул становится меньше rм превалируют силы отталкивания.
Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними. Поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает предоставленный ему объем. Как и газ, жидкость принимает форму того сосуда, в который она заключена. Но в жидкостях в отличие от газов среднее расстояние между молекулами остается практически постоянным
В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя кинетическая энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.
Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, т. е. нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел характерен дальний порядок в расположении частиц, т. е. упорядоченность в их расположении, повторяющаяся на больших расстояниях. Для жидкостей характерен ближний порядок в расположении частиц, т. е. упорядоченность в их расположении, повторяющаяся на расстояниях, сравнимых с межатомными.
Теория жидкости до настоящего времени полностью не разработана. Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я. И. Френкелю (1894—1952). Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного. Таким образом, молекулы жидкости довольно медленно перемещаются по всей массе жидкости, и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах.
С повышением температуры частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул. На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием (см. рисунок 1); следовательно, начиная с некоторого расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Это расстояние (порядка 10-9 м) называется радиусом молекулярного действия r0, а сфера радиуса r0 — сферой молекулярного действия.
Проведем вокруг какой-либо молекулы сферу радиусом r0.