Гидравлика для студентов / ЛР1 Свойства жидкости

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ УХТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ

Методические указания к лабораторным занятиям

Ухта 2010

Приложение В Правила работы с приближенными числами

2

ВВЕДЕНИЕ

Комплекс лабораторных опытов, представленных в данных методических указаниях, направлен на определение физических свойств жидкости. Целью предлагаемых методических указаний является помощь студентам в технике проведения экспериментальных исследований. Для проведения каждого опыта предложен порядок выполнения работы, приведены расчетные формулы и обработка опытных данных.

Наблюдения, измерения и вычисления при выполнении лабораторных работ осуществляется студентами самостоятельно. Преподаватель контролирует проведение опыта, обработку материалов и принимает выполненную работу.

Сдавая работы, студент должен дать качественную оценку полученных результатов.

3

1. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

Жидкими телами, или жидкостями, называют физические тела, легко изменяющие свою форму под действием самых незначительных сил. В отличие от твердых тел жидкости характеризуются весьма большой подвижностью своих частиц и поэтому обладают свойством текучести и способностью принимать форму сосуда, в который они налиты.

Различают жидкости капельные и газообразные. Капельные – это жидкости, встречающиеся в природе и применяемые в технике: вода, нефть, бензин и т.д. Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление изменению объема и трудно поддаются сжатию. При изменении давления и температуры их объем изменяется весьма незначительно. Газообразные жидкости (газы) изменяют свой объем под влиянием указанных факторов в значительной степени.

Состояние и поведение встречающихся в природе применяемых в технике жидкостей находятся в непосредственной зависимости от их физических свойств. Поэтому первая задача, предшествующая изучению гидравлики, - определение физических свойств жидкостей, выявление факторов, влияющих на них, и установление единиц их измерения.

Плотностью называют количество массы (m) жидкости, содержащееся в единице объема (V); ее обозначают греческой буквой ρ и определяют из отношения:

ρ = Vm

Единицей плотности является килограмм на кубический метр (кг/м3). Плотности обычных капельных жидкостей (за исключением ртути) близки к

плотности воды (таблица 1.1) и весьма слабо изменяются с изменением температуры и давления.

4

Таблица 1.1 – Плотность некоторых жидкостей

С повышением температуры плотность жидкостей, как правило, уменьшается. Некоторым исключением из этого общего правила является вода при температуре от 0 до 4 0С. В этом интервале температур наибольшую плотность вода имеет при 4 0С (таблица 1.2).

Таблица 1.2 – Плотность воды при атмосферном давлении

Вязкость свойство жидкости сопротивляться относительному скольжению ее слоев. Это свойство не может быть обнаружено при покое жидкости, так как оно проявляется лишь при ее движении.

При движении различные слои жидкости или газа перемещаются с разной скоростью, что вызывает молекулярный обмен на условной поверхности раздела слоев. Это порождает силы, тормозящие движение одного слоя и

5

ускоряющие другой. Количественно вязкость характеризуется коэффициентом динамической вязкости µ. Размерность коэффициента динамической вязкости в международной системе единиц СИ - Па с. В гидравлике используют также

коэффициент кинематической вязкости ν, который равен отношению коэффициента динамической вязкости к плотности вещества:

ν = μρ

Размерность коэффициента кинематической вязкости ν в системе СИ: м2/с. Одним из способов определения вязкости является использование вискозиметра Стокса. Суть данного метода сводится к измерению времени падения твердого тела в жидкости, вязкость которой необходимо определить. Определим соотношение между вязкостью жидкости и временем падения твердого тела. На рисунке 1.1 показан шарик, падающий в жидкости и силы, действующие на него. Если считать, что шарик движется равномерно, то сумма

всех сил, действующих на шарик, должна быть равна нулю.

6

где Сх – безразмерный коэффициент сопротивления; ω – площадь проекции шарика на плоскость, нормальную к направлению движения, м2;

υ – скорость жидкости относительно шарика (или, что тоже самое, шарика относительно жидкости), м/с.

Подставим формулы (1.3), (1.4), (1.5) в формулу (1.1), получим:

где ν – коэффициент кинематической вязкости, м2/с. Получим:

Среднюю скорость движения шарика можно найти, определяя время, за которое шарик проходит некоторое известное расстояние:

7

Окончательно получим следующее выражение, связывающее время падения и вязкость жидкости:

Формула (1.12) имеет смысл в том случае, когда шарик движется в безграничной жидкости, и не учитывает влияние стенок сосуда. В случае падения шарика в цилиндрической емкости вблизи ее осевой линии более точная формула имеет вид:

где dш – диаметр шарика, м;

D – диаметр цилиндрической емкости, м.

Поверхностное натяжение – свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающих молекул – характеризуется

коэффициентом поверхностного натяжения σ, равным силе на единицу длины контура свободной поверхности. Значения вязкости ν и поверхностного натяжения σ при 20 0С приведены в таблице 1.3.

8

Сжимаемость – свойство жидкости уменьшать свой объем под действием давления. Она оценивается коэффициентом (объемного сжатия)

сжимаемости βр, показывающим относительное уменьшение объема W при

Тепловое (температурное) расширение - свойство жидкости изменять свой объем при нагревании. Оно характеризуется коэффициентом теплового расширения βТ, равным относительному приращению объема W с изменением температуры Т на один градус при постоянном давлении:

βT = WW / T

Как правило, при нагревании объем жидкости увеличивается.

9

2. ПРОВЕДЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Цель работы: освоение техники измерения плотности, вязкости и поверхностного натяжения жидкости.

Лабораторная работа проводится на устройстве «Капелька». Устройство для изучения физических свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в общем прозрачном корпусе (рисунок 2.1), на котором указаны параметры для обработки опытных данных. Приборы 3-5 начинают действовать при перевертывании устройства «Капелька». Термометр 1 показывает температуру окружающей среды и, следовательно, температуру жидкостей во всех устройствах.

Рисунок 2.1 - Схема устройства «Капелька» 1 – термометр; 2 – ареометр; 3 – вискозиметр Стокса; 4 – капиллярный вискозиметр; 5 – сталагмометр

2.1 Опыт № 1 «Определение плотности жидкости ареометром» Плотность жидкости определяют различными способами. В

производственных условиях плотность обычно измеряют специальным прибором, называемым ареометром (см. рисунок 2.1). Ареометр 2 служит для определения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части.

10