Описание установки
Главным элементом экспериментальной установки является так называемый шариковый вискозиметр Гепплера. Его принцип действия основан на измерении времени падения шара в трубке, наполненной исследуемой жидкостью и установленной под углом. Вискозиметр предназначен для измерений динамической вязкости жидкостей и газов в диапазоне от 6·10–4до 1·102 Па∙с.
Измерительная трубка 1 (Рис. 2), заполняемая исследуемой жидкостью, установлена под углом 10º к вертикали и помещена внутри прозрачного корпуса 4, который исполняет роль водяной бани. Шар 2 опускают в исследуемую среду и измеряют время движения шара между метками М1 и М2, нанесенными на трубке с расстоянием между ними 100 мм. К корпусу подведены два патрубка для подвода и отвода термостатирующей жидкости, в качестве которой используется дистиллированная вода.
1 2 3 4
Рис. 2 – Вискозиметр Гепплера: 1 – измерительная трубка; 2 – шар; 3 – термометр; 4 – корпус.
Поскольку измерительная трубка установлена под наклоном, шар скользит по ее стенке. При этом исключаются погрешности отклонения трубки от вертикали и отклонения траектории шара от оси трубки. Для поддержания точного угла наклона трубки необходимо перед измерением установить станину вискозиметра по уровню.
Вискозиметр снабжен комплектом шаров, выполненных из разного материала, разного диаметра и массы для измерений динамической вязкости жидкостей в широком диапазоне. Контроль температуры измерений осуществляется ртутным термометром 3, опущенным через верхнюю крышку корпуса в дистиллированную воду.
Корпус может поворачиваться вокруг оси, закрепленной на станине. При этом рабочими являются два симметричных крайних положения, соответствующих рабочему углу наклона корпуса от вертикали на 10°. Такая конструкция позволяет проводить любое количество измерений, не извлекая шара из трубки. Перед измерением устанавливают корпус в любое из рабочих положений. После того как шарик достигнет дна измерительной трубки, корпус с трубкой поворачивают на 160° и фиксируют во втором рабочем положении. Проводят измерение, после чего шар занимает исходное положение. Корпус еще раз поворачивают на 160° в обратную сторону и фиксируют в исходном рабочем угле наклона, измерение повторяют.
Динамическую вязкость определяют по формуле (16):
(16)
где η — динамическая вязкость, мПа∙с; K – постоянная вискозиметра при применении конкретного шара, (мПа·см3)/г; ρш, ρж – плотности соответственно материалов шара и жидкости, г/см3; t – время опускания шара между метками, с. Время движения шара на расстоянии 100 мм отсчитывают секундомером. Радиус и материал шара выбирается так, чтобы время падения шара составляло 30–300 с. Основные характеристики шарика, используемого для измерения вязкости воды, а также другие количественные данные, необходимые для выполнения работы, представлены в Таблице 1.
Внешний вид экспериментальной установки для измерения вязкости показан на Рис. 3.
Рис.3 – Внешний вид установки для измерения вязкости: 1 – вискозиметр Гепплера; 2 – ванна с водой; 3 – термостат; 4 – подводящие трубки; 5 – набор шариков для измерения вязкости; 6 – секундомер.
Таблица 1.
|
Материал, из которого изготовлен шарик |
Стекло |
|
Плотность шарика ρш, г/см3 |
2,22 |
|
Диаметр шарика 2r, мм |
15,813 |
|
Постоянная вискозиметра K, |
0,01022 |
|
Внутренний диаметр трубки 2R, мм |
15,94 |
|
Расстояние между метками L, мм |
100 |
|
Удельная теплота плавления воды λ, Дж/г |
333 |
|
Удельная теплота парообразования воды q, Дж/г |
2250 |
