1. Цель работы
Целью работы: изучение вязкости жидкостей и определение коэффициента динамической вязкости жидкости (глицерин, касторовое масло) методом Стокса.
2. Теоретическое введение
Существует два вида течения жидкости (или газа): ламинарное и турбулентное. При ламинарном течении (от lamina-пластинка) жидкость как бы разделяется на слои, которые скользят относительно друг друга, не перемешиваясь. При турбулентном течении (от лат. turbulentus-бурный, беспорядочный) жидкость интенсивно и беспорядочно перемешивается. В любом случае, для приведения жидкости в движение, нужно действовать на неё внешней силой, причем при турбулентном течении эта сила должна быть больше. При ламинарном течении, сила сопротивления жидкости определяется её вязкостью.
Вязкость (внутреннее трение) - свойство жидкостей (или газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Основной закон внутреннего трения для ламинарного течения был установлен И. Ньютоном (1687).
Рассмотрим жидкость, движущуюся в направлении оси ОУ (рис. I).
Течение двух слоев жидкости
Рис.1
Выделим в жидкости два слоя площадью S, находящихся на расстоянии ΔZ. Пусть скорости этих слоев отличаются на величину ΔV. Отношение ΔV/ΔZ характеризует быстроту изменения скорости течения от слоя к слою и называется градиентом скорости. Основной закон вязкого течения гласит, что сила внутреннего трения (вязкости) F, действующая между двумя слоями, пропорциональна площади их соприкосновения S и градиенту скорости ΔV/ΔZ:
F=ηΔV/ΔZS (1)
Величина η называется коэффициентом динамической вязкости (коэффициентом внутреннего трения). Согласно формуле (I) коэффициент динамической вязкости численно равен силе внутреннего трения, приходящейся на единицу поверхности двух слоев, движущихся относительно друг друга с градиентом скорости равным единице. В системе единиц СИ размерность коэффициента динамической вязкости кг∙м-1∙с-1 (Па∙с). Вязкостью жидкости определяется сила, действующая на твердое тело, движущееся в жидкости. При ламинарном обтекании тела слой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, в результате прилипания остается неподвижным относительно неё. Скорость остальных слоев относительно тела возрастает по мере их удаления от поверхности. Результирующую силу, действующую на тело, можно найти, суммируя силы (I), действующие на отдельные участки поверхности, она зависит от размеров и формы тела. Для шара, совершающего равномерное поступательное движение с малой скоростью в безграничной жидкости, сила сопротивления Fc была вычислена в 1851г. английским физикам Дж. Стоксом:
Fc=6πηrυ (2)
где r - радиус шара, υ - скорость шара. Природу вязкости молекулярно-кинетическая теория о6ъясняет движением и взаимодействием молекул. Причем для жидкостей и газов механизм возникновения внутреннего трения существенно различается.
В газах расстояние между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил. Вязкость газов - следствие хаотического (теплового) движение молекул, в результате которого происходит обмен молекулами между движущимися друг относительно друга слоями. В результате молекулы из медленно движущихся слоев попадают в быстрые, тем самым замедляя их, и наоборот. Так как средняя скорость теплового движения молекул растет с увеличением температуры Т (пропорционально √T), то вязкость газов также увеличивается с нагреванием пропорционально √T.
В жидкостях, где расстояние между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена межмолекулярным взаимодействием. В жидкости молекулы большую часть времени колеблются около положения равновесия, и только время от времени совершают скачки на расстояние порядка размеров самой молекулы. Течение жидкости представляет собой совокупность огромного числа таких скачков. Вероятность скачков повышается с ростом интенсивности колебаний, то есть с увеличением температуры. Поэтому вязкость жидкости уменьшается при её нагревании. Вязкость жидкости сильно зависит от химической структуры и состава молекул. В частности, вязкость водного раствора глицерина заметно уменьшается с увеличением содержания в нём воды (табл. 1).
Таблица 1.
Вязкость водного раствора глицерина
-
Процентное содержание глицерина
Вязкость раствора (Па∙с)
t=20oC
t=25oC
t=30oC
100
1.495
0.942
0.622
99
1.194
0.772
0.509
98
0.971
0.627
0.423
97
0.802
0.521
0.353
96
0.659
0.434
0.295
95
0.544
0.365
0.248
80
0.062
0.046
0.035
50
0.006
0.005
0.004
25
0.0021
0.0018
0.0016
10
0.0013
0.0011
0.0010