Додаткові теоретичні відомості

Сукупність методів, які використовуються для вимірювання коефіцієнта в'язкості, називають віскозиметрією, а прилади, які застосовуються для цієї мети, віскозиметрами. Коефіцієнти в'язкості, значення яких лежать у межах 10-10 Па х с, визначаються за допомогою капілярних віскозиметрів.

Капілярний метод базується на використанні формули Гагена-Пуазейля, згідно з якою об'єм рідини V, що протікає за час t через капіляр довжиною l та радіусом R при наявності перепаду тиску ∆Р на кінцях капіляра, дорівнює:

Для вертикального капіляра перепад тиску зумовлений гідростатичним тиском стовпа рідини висотою h, тобто ∆P = ρgh, де р - густина рідини .

За цими формулами знаходять в'язкість рідини

Враховуючи, що величини V, І, R та h є сталими для даного капіляра, та вводячи сталу віскозиметра с = πR⁴gh/(8lV), можна визначити значення в'язкості за формулою η = cρt.

Час протікання досліджуваної рідини через даний капіляр залежить від його параметрів, густини та в'язкості рідини. Вимірюючи цей час для протікання однакових об'ємів досліджуваної (t_x) та еталонної (t_em) рідин, отримаємо формули, які дозволяють визначити значення відносного (η_від) та абсолютного (η_aбc) коефіцієнтів в'язкості досліджуваної рідини:

В якості еталонної рідини, як правило, використовують дистильовану воду, в'язкість якої (η_еm) залежно від температури наведена в таблиці 2.

Порядок виконання лабораторної роботи

Завдання 1. Ознайомитися з будовою капілярного віскозиметра.

Основу віскозиметра становить капіляр 3 з резервуаром 2 (рис. 2.36). Мітки М₁ та М₂ на резервуарі служать для фіксування об'єму рідини, що протікає через капіляр. Груша 4 служить для засмоктування рідини в резервуар 1.

З авдання 2. Визначити відносний η_від та абсолютний η_абс коефіцієнти в'язкості досліджуваної рідини.

1. Визначити час t_x протікання через капіляр фіксованого об'єму досліджуваної рідини. Для визначення t_x необхідно за допомогою груші засмоктати гліцерин в резервуар 1 на декілька міліметрів вище мітки М₁. Потім, дозволяючи рідині вільно витікати із резервуара 2 через капіляр З, виміряти за допомогою секундоміра час t_x проходження меніску між мітками М₁ та М₂. Виміри занести в таблицю 1.

Таблиця 1. Результати вимірів часу витікання рідин

№	tx	∆tx [c]	tem [c]	∆tеm [с]
1
2
3
Середнє значення

2. Аналогічним способом визначимо час t_em для дистильованої води. Результати занести в таблицю 1.

3. Розрахувати відносну в'язкість досліджуваної рідини за формулою (2.70). При розрахунках використовувати середні значення t_x та t_em. Значення густини досліджуваної рідини р_х взяти рівним р_х = (1120 ± 0.5) кг/м³, а густину дистильованої води р_еm = (1000±1)кг/м³.

Таблиця 2. Залежність коефіцієнта в'язкості дистильованої води [Пас] від температури

t0C	ηеm	t0C	ηеm	t0C	ηеm
0	0,00179	21	0,00098	30	0,00080
5	0,00151	22	0,00096	40	0,00065
10	0,00131	23	0,00093	50	0,00055
15	0,00114	24	0,00091	60	0,00047
16	0,00111	25	0,00089	70	0,00041
17	0,00108	26	0,00087	80	0,00036
18	0,00106	27	0,00086	90	0,00032
19	0,00103	28	0,00084	100	0,00028
20	0,00100	29	0,00082	110	0,00026

4. Розрахувати абсолютне значення коефіцієнта в'язкості досліджуваної рідини η_абс за формулою (2.71), визначивши за таблицею 2 коефіцієнт в'язкості дистильованої води rjem при температурі досліду.

5. Знайти відносну ε та абсолютну ∆η похибки у визначенні відносного та абсолютного коефіцієнтів в'язкості досліджуваної рідини:

• відносна похибка ε = ±(∆η_x/η_x) = ±(∆t_x/t_x + ∆t_em/t_em + ∆р_х/р_х + ∆р_еm/р_еm),

• абсолютні похибки для абсолютного та відносного коефіцієнтів в'язкості

∆η_абс = εη_абc, ∆η_від = ε±η_вiд

Кінцевий результат подати у вигляді:

ηх = (η_абc± ∆η_абс) [Па^.с], η_{х від} = η_від ± ∆η_від.

Завдання 3. Визначення коефіцієнта в'язкості рідини за допомогою віскозиметра ВК-4.

Віскозиметр ВК-4 являє собою капілярний віскозиметр для визначення коефіцієнта в'язкості крові. Із формули Гагена-Пуазейля, яка описує плин в'язкої рідини по циліндричній трубі, виходить, що за однакових умов плину за один і той же час об'єм речовини V, який протікає через цю трубу, обернено пропорційний в'язкості рідини: V~ l/η.

Величину об'єму V можна оцінити по довжині заповнення капіляру L за час плину: V = πr²L. Отже, відношення в'язкостей рідин, об'єми яких протікають за певний час, буде дорівнювати відношенню об'ємів або довжин η/η_em = V_em/V = L_em/L.

Таким чином, вимірявши L та L_em, можна визначити відносну в'язкість досліджуваної рідини η_від = η/η_em = L_em /L. (2.72)

Знаючи в'язкість еталонної рідини (води) при температурі досліду, можна легко одержати абсолютне значення в'язкості досліджуваної рідини.

О знайомитися з будовою віскозиметра ВК-4 (рис. 2.37).Віскозиметр ВК-4 складається з двох градуйованих капілярних бюреток 1 і 2, закріплених на загальній підставці. Після того як в бюретку 1 набрано води, яка служить еталонною рідиною, кран 3 на бюретці 1 закривають, що дозволяє набрати досліджувану рідину (кров) в бюретку 2, не змінюючи рівень води в бюретці 1. Обидві бюретки з'єднані трійником 4, від якого відходить гумова трубка 5 з наконечником 6.

Виконати такі процедури для визначення коефіцієнта відносної та абсолютної в'язкості:

а) промити капіляри спиртом і просушити за допомогою груші;

б) відкрити кран 3 і, витягуючи повітря через наконечник 6 за допомогою шприца, набрати дистильовану воду в бюретку 1 до позначки "0";

в) при закритому крані 3 таким же чином набрати досліджувану рідину в бюретку 2 до позначки "0";

г) відкривши кран 3, втягувати повітря через наконечник 6 до того часу, поки рівень досліджуваної речовини в бюретці 2 не дійде до позначки "7" (L = 1), вода при цьому досягає в бюретці 1 другої позначки (L_em). Як видно із формули (2.72), відносний коефіцієнт в'язкості досліджуваної рідини за цих умов чисельно дорівнює шляху, пройденому водою, тобто L_em.

Оформити протокол лабораторної роботи.

Він повинен містити:

а) стислу теоретичну частину, яка пояснює фізичну сутність капілярної віскозиметрії;

б) таблиці експериментальних вимірів;

в) результати обробки даних і розрахунок похибок вимірів.