3.2. Определение вязкости с помощью капиллярного вискозиметра.

Используемый капиллярный вискозиметр представляет собой стеклянную трубку с двумя расширениями, оканчивающуюся капилляром радиусом 1 мм. Сверху на стеклянную трубку надевается короткий резиновый шланг, связывающий ее со шприцом. По обе стороны от нижнего расширения имеются риски, объем жидкости между которыми 3,6 мл.

Порядок выполнения работы:

1. Продуть капилляр с помощью шприца.

2. Нижний кончик капилляра, закрепленного в штативе вертикально, опустить на 2-3 мм ниже уровня жидкости в широкую чашку с водным раствором глицерина (глицерин наливать из банки с маркировкой «Для капиллярного вискозиметра; раствор «вода : глицерин» = 1 : 2; плотность 1,25 г/см³).

3. Раствор с помощью шприца засосать до середины высоты верхнего расширения капиллярного вискозиметра.

4. Измерить секундомером время вытекания 3,6 мл раствора, заключенного между рисками.

5. Использую формулу (7), рассчитать значение вязкости.

Длина капилляра вискозиметра измеряется линейкой. Перепад давления определяется по формуле:

ΔP = ρ_жg(h₁ + h₂)/2 (8)

где h_1, h₂ – расстояние от основания капилляра до рисок на вискозиметре (измеряются линейкой).

Опыт проделать 5 раз. Найти среднее значение вязкости и погрешность ее определения. Сформулировать выводы по работе.

4. Контрольные вопросы.

1. Дать определение динамической, кинематической вязкости.

2. Ламинарное и турбулентное течение.

3. Что характеризует число Рейнольдса? Как связаны макро– и микропараметры в числе Рейнольдса?

4. Почему для выполнения данной работы - для вычисления коэффициента вязкости ή по формуле Пуазейля - необходим капилляр?

5. Из опыта известно, что сила сопротивления движению шарика в жидкости тем больше, чем больше коэффициент внутреннего трения, радиус и скорость падающего шарика. Исходя из соображений размерности, установите, как зависит сила сопротивления от упомянутых параметров.

6. Найти время, через которое устанавливается равномерное падение свинцового шарика в глицерине.

Лабораторная работа 2-2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

1. Цель работы

Ознакомление с явлением поверхностного натяжения жидкости и с методиками экспериментального определения значения коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей (воды, глицерина машинного масла): 1 - методом отрыва кольца; 2 - капиллярным методом.

2. Теоретические пояснения

2.1. Поверхностное натяжение

Поверхность жидкости, соприкасающейся с другой средой, на­пример, с ее собственным паром, с какой-либо другой жидкостью или с твёрдым телом (в частности, со стенками сосуда, в котором она содер­жится) находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости.

На молекулу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих молекул. Если молекула удалена от поверхности жид­кости на расстояние, превышающее радиус сферы молекулярного дей­ствия, то эти силы в среднем уравновешиваются. Если же молекула на­ходится в приграничном слое, толщина которого равна радиусу сферы молекулярного действия, то появляется результирующая сила, направ­ленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема гра­ничащей с ней среды. Вследствие этого перемещение молекулы из по­верхностного слоя вглубь жидкости сопровождается совершением работы.

В случае, если жидкость граничит со своим собственным паром, сила, испытываемая молекулами поверхностного слоя, направлена внутрь жидкости. Это объясняется тем, что плотность молекул в жид­кости много больше, чем в паре над жидкостью, и поэтому сила притя­жения, испытываемая молекулой со стороны молекул жидкости, боль­ше, чем со стороны молекул пара.

Отсюда следует, что, перемещаясь из поверхностного слоя внутрь жидкости, молекула совершает положительную работу. Наоборот, пе­реход молекул из объема жидкости к поверхности сопровождается отрицательной работой, т.е. требует затраты внешней работы.

Пусть по каким-либо причинам поверхность жидкости уве­личивается. Это значит, что некоторое количество молекул переходит из объема жидкости в поверхностный слой. Если изотермически обратимым путем изменить поверхность на бесконечно малую величину dS, то необходимая для этого работа

dA = -σ dS (1)

Знак минус указывает на то, что увеличение поверхности (dS > 0) со­провождается отрицательной работой.

Коэффициент σ является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (σ > 0).

Опр.1. Коэффициент поверхностного натяжения измеряется работой, необходимой для изотермического увеличения площади поверхности жидкости на единицу.

Ясно, что молекулы поверхностного слоя жидкости обладают из­быточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, нахо­дящимися в объеме жидкости. Эта избыточная потенциальная энергия называется свободной поверхностной энергией . Как всякая потен­циальная энергия, свободная поверхностная энергия стремится к мини­муму, поэтому поверхность жидкости стремится сократиться. Именно поэтому в отсутствие сил тяжести жидкость принимает сферическую форму, т.к. сфера обладает минимальной площадью поверхности при данном объеме ограниченной ею жидкости.

Свободная поверхностная энергия измеряется работой, которую могут совершить молекулы поверхности, перемещаясь внутрь жидкости под действием сил притяжения со стороны молекул в объеме жидкости, т.е.

и

Следовательно,

(2)

Итак, можем дать второе определение коэффициента σ.

Опр. 2. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности.

Так как жидкость в равновесии должна иметь минимально возможную поверхность, то должны существовать силы, стремящиеся со­кратить эту поверхность. Эти силы направлены по касательной к поверхности и называются силами поверхностного натяжения.

Для разрыва поверхности необходимо приложить внешние силы, параллельные к поверхности и перпендикулярные к линии разрыва.

Пусть тонкая пленка жидкости (например, мыльного раствора) натянута на проволочную прямоугольную рамку, одна из сторон кото­рой подвижна (рис. 1). Силы поверхностного натяжения принуждают пленку сокращаться, и подвижная перекладина АВ вслед за пленкой перемещается вверх. Чтобы сохранить ее в равновесии, к перекладине нужно приложить силу F в виде груза.

Рис. 1. Схема рамки с мыльным раствором.

Этот опыт может быть использован для определения численного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, обра­зующей пленку. Действительно, поверхностная сила f, с учетом того, что пленка имеет две поверхности (т.к. пленка есть тонкий слой жид­кости), равна при равновесии весу груза F:

2f = F, f = F/2

Если под действием этой силы перекладина переместилась на расстоя­ние dx из положения АВ, то работа, совершенная силой, будет:

dA = fdx

Эта работа равна уменьшению свободной энергии пленки:

dA = dψ.

В свою очередь, dψ = σ dS. В данном случае dS = l dx, где l- длина рамки. Отсюда

dA = σ dS = σ ldx = fdx = (F/2) dx

и

(3)

Итак, получаем третье определение σ:

Опр. 3. Коэффициент поверхностного натяжения равен силе, приходящейся на единицу длины линии разрыва и действующей по касательной к поверхности жидкости,