Определение коэффициента вязкости воды (90

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

М. В. Аминева, М.С. Бурлак

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВОДЫ

Методические указания к лабораторной работе № 139

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Оренбург ИПК ГОУ ОГУ

2011

УДК 532.13 (076) ББК 22.253 я 7

А 62

Рецензент кандидат технических наук, доцент Ф.Г.Узенбаев

Аминева, М. В.

А62 Определение коэффициента вязкости воды: методические указания к лабораторной работе № 139 / М. В. Аминева, М.С. Бурлак; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2011. – 18 с.

Методические указания включают теоретическое изложение материала, описание методики проведения опыта и контрольные вопросы для самоподготовки.

Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы № 139 «Определение коэффициента вязкости воды» по дисциплине «Общая физика» для студентов всех специальностей.

УДК 532.13 (076) ББК 22.253 я 7

Аминева М. В., 2011 Бурлак М. С., 2011 ГОУ ОГУ, 2011

Цели работы:

1 Изучить явления переноса в газах и жидкостях с точки зрения молекулярно-кинетической теории (МКТ).

2 Изучить метод определения коэффициента вязкости воды.

3 Экспериментально определить зависимость коэффициента вязкости воды от температуры.

Введение

Одним из основных положений МКТ является тезис о хаотичном непрерывном движении молекул, интенсивность которого пропорциональна абсолютной температуре вещества. В зависимости от агрегатного состояния вещества характер этого движения изменяется. Если в газах движение молекул абсолютно хаотично, то в жидкостях, между молекулами которой существует ближний порядок взаимодействия, на их хаотичность накладываются условия “ближнего порядка”. Упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул на расстояниях, сравнимых с межатомными, называется ближним порядком взаимодействия, а

упорядоченность, повторяющаяся на неограниченно больших расстояниях, -

дальним порядком взаимодействия. В твердых телах между молекулами наблюдается и ближний и дальний порядок взаимодействия, поэтому молекулы твердого тела лишь хаотично колеблются около положений равновесия. Хаотичное тепловое движение сопровождается переносом молекулами массы, энергии и импульса из одной части вещества в другую.

Эти явления объединяют под названием явления переноса.

Следует различать три таких явления: диффузию, теплопроводность

и вязкость.

Явление, при котором вследствие теплового хаотичного движения молекул происходит перенос массы вещества, называют диффузией. Оно

3

характеризуется коэффициентом диффузии D. Согласно кинетической теории газов,

-средняя длина свободного пробега молекулы (м).

Явление, связанное с переносом тепловой энергии молекулами при

их хаотичном тепловом движении, называют теплопроводностью. Это явление характеризуется коэффициентом теплопроводности :

теплоты, которое получает или отдает 1 моль вещества при изменении его температуры на 1 K.

Явление, возникающее при движении жидкости или газа из-за переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению

4

Механизм этих процессов в жидкости иной, чем в газах. Однако,

законы, описывающие их, сходны.

Явления переноса в газах определяются длиной свободного пробега молекул. Именно поэтому выражения для всех коэффициентов переноса содержат в качестве множителя среднюю длину свободного пробега . Но в жидкостях среднее расстояние между молекулами такого же порядка, как размеры самих молекул, поэтому и «свободного» пробега у молекул нет.

Молекулы жидкости могут лишь совершать малые колебания в пределах,

ограниченных межмолекулярными расстояниями. Однако молекула в результате флуктуации может получить от соседних молекул избыточную энергию, достаточную для того, чтобы совершить скачок на некоторое расстояние l . В новом месте молекула проведет некоторое время, совершая колебания, пока снова не получит нужную для скачка энергию и так далее.

Такие колебания, сменяющиеся скачками, - это и есть тепловые движения молекул жидкости.

Если время между скачками молекул (его можно назвать временем

собой скорость молекулы. Это позволяет нам сравнить среднее расстояние l

v . Поэтому для явлений переноса в жидкости и в любом другом веществе остаются справедливыми законы переноса, установленные для газов.

С повышением температуры среднее время t “оседлости” молекул уменьшается. Чем меньше среднее время t “оседлости” молекул, тем чаще происходят скачки. Жидкость становится более текучей. Вязкость жидкости быстро уменьшается. В частности это касается явления вязкости воды.

Явление внутреннего трения (вязкости) наблюдается в телах при всех агрегатных состояниях, но наибольшее практическое применение это явление

5

имеет в жидкостях и газах. Движение жидкости или газа слоистое и скорости перемещения слоев разные. Между слоями возникают силы внутреннего трения, которые стремятся выровнять скорости движения всех слоев.

Выравнивание скоростей слоев осуществляется путем передачи молекулами более быстрых слоев импульсов mv молекулам, движущимися медленнее.

Это приводит к увеличению скорости движения молекул более медленного слоя. Молекулы из медленного слоя, попадая в более быстрый слой,

отбирают у него часть импульса, что приводит к его торможению.

Таким образом, внутреннее трение между слоями обусловлено переносом импульса молекулами вещества, которые переходят из слоя в слой в силу их хаотичного теплового движения. В жидкостях перенос импульса из одного слоя в другой осуществляется при скачках молекул, о которых говорилось выше.

Ньютон доказал, что сила внутреннего трения F , возникающая между двумя слоями газа или жидкости, пропорциональна величине

площади соприкосновения движущихся слоев S и градиенту скорости dv dz

движения слоев (закон Ньютона):

Градиентом скорости называют вектор, численно равный изменению скорости на единицу длины в направлении перпендикулярном скорости движения слоев.

Из формулы (4) коэффициент вязкости будет равен:

6

Таким образом, коэффициент вязкости есть физическая величина,

численно равная силе внутреннего трения между двумя слоями с площадью, равной единице площади при градиенте скорости, равном единице.

Знак минус в формуле Ньютона указывает на то, что сила

F направлена противоположно изменению скорости.

Размерность коэффициента вязкости в системе СИ – Паскаль в секунду (Па·с).

г

В системе СГС единицей вязкости является 1 пуаз = 1 см с (Пз).

Коэффициентом вязкости называют динамической вязкостью.

Аппаратура и методика определения коэффициента вязкости воды и его изменений с температурой

7

Рисунок 1 –Блок-схема экспериментальной установки Экспериментальная установка выполнена в виде трех блоков (рисунок

1), смонтированных на одной раме. Блок А включает в себя резиновую грушу для откачки воздуха, вентиль – регулятор скорости откачивания воздуха из верхней полости автоклава-вискозиметра (блок В), вентиль для регулирования степени поступления воздуха в верхнюю полость автоклава.

Оба вентиля, резиновая груша и автоклав с мерной трубкой соединены гибкими шлангами.

Рисунок 2 – Принципиальная схема автоклава-вискозиметра (блок В)

Автоклав-вискозиметр (рисунок 2) представляет собой медную трубу, в верхней и нижней частях которой находятся полости (камеры),

соединенные между собой круглым каналом диаметром 6,0 мм. На трубе имеется нагревательная обмотка. В трубу ввернут датчик температуры,

показания которого выведены на шкалу прибора ИСТ – 4К. В верхнюю часть

8

автоклава вворачивается капилляр-вискозиметр, в котором имеется два штуцера. Один из них служит для откачивания воздуха из верхней камеры автоклава с помощью резиновой груши и вентиля 1. Другой штуцер обеспечивает сообщение верхней камеры автоклава с атмосферой. Степенью поступления воздуха в камеру управляет вентиль 2. Нижняя камера автоклава соединена шлангом с мерной трубкой, расположенной вдоль линейки, по которой отсчитываются уровни жидкости. Соединение между верхней и нижней частями автоклава осуществляется только через капилляр.

Вкачестве метода измерения вязкости используется классический метод вискозиметра. Проливая исследуемую жидкость через капилляр известной длины L и диаметра d и определяя скорость протекания жидкости, мы можем судить об ее вязкости.

Вавтоклав заливается жидкость до уровня h0 так, что капилляр

погружается в нее полностью. Отсасывая воздух из верхней полости,

втягивают жидкость в верхнюю полость, при этом ее уровень в измерительной трубке опускается на 5 - 10 мм ниже заданного начального уровня отсчета h1 , закрывают вентиль 1. Затем открывают вентиль 2,

соединяющий верхнюю полость с атмосферой. Жидкость начинает движение к исходному состоянию. Измеряют время t , за которое уровень жидкости пройдет расстояние от уровня h1 до второго заданного уровня h2 . Это время пропорционально вязкости жидкости. Температуру жидкости в автоклаве

(положение переключателя T1 ), напряжение (U1 ) и ток обмотки нагревателя

( I1 ) контролируют прибором ИСТ – 4К (блок С). Значение температуры стабилизации жидкости в автоклаве задается регулятором «термостат».

Светодиоды “сд” контролируют режим стабилизации температуры.

Регулятор «питание» позволяет изменять величину напряжения и тока в обмотке нагревателя. Время протекания воды измеряется секундомером – таймером с точностью до 0,01 с, который расположен в выдвижном лотке

9

блока С. Кнопка "SET” запускает и останавливает секундомер, а кнопка

“ADVANCE” обнуляет показания секундомера.

Пусть h0 - уровень воды в мерной трубке до начала измерений. При откачивании воздуха из верхней камеры уровень воды в ней поднимается до

10