Установка «Вязкость газов» фдмт-05

Демонстрационная установка «Вязкость газов» ФДМТ-05 (рис. 5) обеспечивает наглядную демонстрацию наличия внутреннего трения (вязкости) в газах – вращение диска, подвешенного горизонтально на нитях при вращении диска, закрепленного на валу электродвигателя и установленного соосно на некотором расстоянии от первого (между дисками – воздух).

Установка предназначена для проведения демонстраций на лекциях по курсу «Физика», раздел «Молекулярная физика и термодинамика», а также может быть использована на лекциях по курсу «Техническая физика».

Рис. 5

Основные технические характеристики демонстрационной установки «Вязкость газов» ФДМТ-05 представлены в табл. 2.

Таблица 2

Электропитание от источника постоянного тока типа Б5-46	напряжение, В	от 0 до 24
	сила тока, А	не более 2,3
	частота оборотов электродвигателя, об/мин	2000
Габаритные размеры установки, мм	длина	400
	ширина	300
	высота	450
Масса, кг		7
Диаметр дисков, мм		300

Явления переноса – это процессы установления равновесия в системе путём переноса массы (диффузия), энергии (теплопроводность) и импульса молекул (внутреннее трение или динамическая вязкость).

В явлении вязкости наблюдается перенос импульса от более быстрых участков потока к менее быстрым. При течении газа или жидкости, например, внутри трубы, скорости слоев различны: их распределение при ламинарном течении показано на рис. 6 (длина стрелки показывает скорость данного слоя).

Рис. 6

Причиной этого является хаотическое тепловое движение молекул, при котором они непрерывно переходят из слоя в слой и в соударениях с другими молекулами обмениваются импульсами. Так, молекулы второго слоя, попадая в слой 1, переносят свой импульс направленного движения , а в слой 2 приходят молекулы с меньшим импульсом . В результате второй слой тормозится, а первый – ускоряется.

Опыт показывает, что импульс dp, передаваемый от слоя к слою через поверхность S, пропорционален градиенту скорости du/dx, площади S и времени переноса dt:

.

В результате между слоями возникает сила внутреннего трения (закон Ньютона)

где  – коэффициент вязкости среды.

Для идеального газа коэффициент вязкости

Средняя длина свободного пробега молекул

,

где k = 1,3810^–23 Дж/К – постоянная Больцмана; d – эффективный диаметр молекул (для воздуха d  410^–10 м); Т, Р – температура и давление газа.

Средняя скорость теплового движения молекул

,

где R = 8,31 Дж/мольК – универсальная газовая постоянная; М – масса одного моля газа (для воздуха М = 28,9 г/моль).

Демонстрация наличия внутреннего трения (вязкости) в газах.

1. Установить на стол установку. Подсоединить источник питания Б5-46 при помощи проводов к клеммам установки. Диск, подвешенный на нитях, выставить параллельно нижнему диску на расстоянии 10–15 мм.

2. Включить источник питания и начать плавно увеличивать число оборотов электродвигателя. При вращении диска, установленного на валу электродвигателя, в результате внутреннего трения приходит в движение воздух между дисками, увлекая за собой верхний диск – наблюдается вращение верхнего диска.