Сборник методичек по физике - УГНТУ / Гусманова14

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики

ВЯЗКОСТЬ ЖИДКОСТЕЙ

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам

по молекулярной физике

4-1

УФА 2010

2

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения и содержит краткие сведения по теории и описание порядка выполнения лабораторной работы по разделу “Молекулярная физика”.

Составители: Гусманова Г.М., доц., канд.хим.наук Шестакова Р.Г., доц., канд.хим.наук

Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010

Вязкостью или внутренним трением называется свойство всех веществ оказывать сопротивление деформации сдвига, пропорциональное градиенту скорости. Возникновение сопротивления, обусловленное вязкостью, объясняется следующим образом. Представим себе две пластинки, разделенные слоем жидкости (рис. 1). Начнем перемещать верхнюю пластинку относительно нижней. Мысленно разобьем жидкость на тончайшие слои. Молекулы жидкости, ближайшие к верхней пластинке, прилипают к ней и перемещаются вместе с ней с той же скоростью. Эти молекулы в свою очередь увлекают молекулы следующего слоя. Слой молекул, прилегающих непосредственно к нижней неподвижной пластине, остается в покое, а остальные перемещаются, скользя друг по другу со скоростями тем большими, чем больше их расстояние от нижней пластинки. Вязкость жидкости проявляется в возникновении силы, препятствующей относительному сдвигу соприкасающихся слоев жидкости. Чем больше меняется скорость жидкости при переходе от слоя к слою, тем больше сила внутреннего трения. Чтобы характеризовать величину изменения скорости, измерим разность и расстояние y между слоями. Тогда величина

называется градиентом скорости.

При ламинарном течении (т.е. без завихрений) сила внутреннего трения пропорциональна градиенту скорости: (закон Ньютона)

F dV S, dy

где S – площадь поверхности слоев; - коэффициент динамической вязкости.

4

Из закона Ньютона следует, что коэффициент динамической вязкости – это сила внутреннего трения, действующая между соседними слоями жидкости, имеющими единичные площадь контакта и градиент скорости. В

выполняется условие ламинарности, т.е. слои жидкости движутся с различными скоростями и не смешиваются друг с другом, то коэффициент вязкости можно определить с помощью закона Пуазейля:

Q r 4 p t , 8 l

где Q – объем жидкости, протекающей через поперечное сечение трубы за определенное время t, r и l - соответственно радиус и длина трубки, р – разность давлений на концах трубки, - коэффициент вязкости.

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших, по сравнению с межатомными, расстояниях. В жидкостях имеет место ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными.

Теория жидкости разрабатывалась Френкелем Я.И., согласно которому каждая молекула в жидкости 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. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что является причиной уменьшения вязкости. В силу более сложного характера теплового движения в жидкости процесс перехода молекул из одного слоя в другой и связанный с этим перенос импульса не является определяющим в механизме возникновения вязкости. Внутреннее трение, движение соседних слоев молекул в жидкостях осуществляется в основном за счет межмолекулярного взаимодействия. Френкель Я.И. вывел формулу, непосредственно связывающую коэффициент вязкости с температурой Т

W

A e k T ,

где А – постоянная, k – постоянная Больцмана, W – энергия активации – энергия, которую нужно сообщить молекуле, чтобы она могла перескочить из одного положения равновесия в другое. Величина энергии активации

5

имеет порядок (2 – 3)10 -20 Дж. Согласно этой закономерности вязкость жидкости с ростом температуры резко падает, в то же время для насыщенного пара (газа) вязкость медленно возрастает, и при критической температуре ТКР они сравниваются друг с другом (рис. 2).

Ж

Г

Т

ТКР

Рис. 2. Зависимость вязкости жидкости Ж и газа Г от температуры

12.Рассчитать относительную и абсолютную ошибку определения энергии активации. Все данные записать в таблицу. В качестве абсолютной погрешности взять среднее значение отклонения экспериментальных точек от проведенной прямой.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1.Правила техники безопасности – общие для лаборатории молекулярной физики.

2.Соблюдать осторожность при работе с термостатом во избежание ожога, так как температура в нем поднимается до 800 С.

3.Соблюдать осторожность при работе со стеклянными частями установки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чем отличается жидкое состояние от газообразного и твердого состояний?

2.Как осуществляется тепловое движение молекул в жидкости по теории Френкеля Я.И.?

3.Как зависит вязкость жидкости от температуры?

4.Как зависит вязкость газов от температуры?

5.Что такое энергия активации?

6.Каким законом описывается ламинарное течение жидкости в трубке?

ЛИТЕРАТУРА

1.Трофимова Т.И. Курс физики,-М.: Высшая школа, 1994, §48,-С.95-97.

2.Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики .Т.1.-Киев.: Днiпро, 1994, §

24-30, -С.120-144.

3.Савельев И.В. Курс физики. Т.1.-М.: Наука, 1982, § 128-132,

-С.400-416.