Лабораторные работы по молекулярной физике и термодинамике

Лабораторная работа №6 определение температурной зависимости коэффициента вязкости жидкости цель работы

Целью работы является измерение коэффициента вязкос-ти жидкости методом Стокса и получение эмпирической за-висимости вязкости от температуры.

Теоретические основы работы

Вязкостью, или внутренним, трением называется свойс-тво жидкостей или газов оказывать сопротивление де-формации сдвига, пропорциональное градиенту скорости движения (2.11). Другими словами, это способность оказы-вать сопротивление перемещению одного слоя жидкости (или газа) относительно другого.

Вязкость жидкости вместе с другой ее характеристикой – сжимаемостью – существенно влияют на движение жидкос-тей или газов. Несжимаемая жидкость, в которой отсут-ствует внутреннее трение, называется идеальной. Идеальная жидкость – весьма приближенная модель, использующаяся для вывода простейших уравнений движения жидкостей, та-ких, как закон Бернулли или формула Торричелли.

На практике приходится сталкиваться с жидкостями, ко-торые обладают и сжимаемостью, и вязкостью. Причем именно вязкость оказывает существенное влияние на харак-тер движения жидкости. Вязкость служит причиной образо-вания вихрей при движении жидкости или газа. Это приво-дит к потере устойчивости потока. Поэтому гидродинамика идеальных жидкостей малоприменима для решения практи-ческих задач турбостроения, самолетостроения, и т.д.

Разделяют два вида движения жидкости (или газа): лам-инарное и турбулентное. При ламинарном (или слоистом) течении слои движутся параллельно друг другу, не переме-шиваясь. При турбулентном течении возникают завихрения, слои перемешиваются. Численно характер движения можно определить при помощи числа Рейнольдса (2.5.9). При зна-чениях числа Рейнольдса течение ламинарное. При значенияхсовершается переход от ламинар-ного течения к турбулентному, и при значениях течение уже турбулентное. Вместе с тем, критическое зна-чение числа Рейнольдса, при котором ламинарное течение переходит в турбулентное, сильно зависит от состояния по-верхности труб и условий втекания. Критическое значение числа Рейнольдса для потока в гладких трубах составляет , но при определенных условиях может достигать 20000.

Распределение скоростей при ламинарном и турбулент-ном течении существенно различно. При ламинарном тече-нии скорости движения слоев в поперечном сечении рас-пределяются по параболическому закону (рис. 2.6.1.а). При турбулентном течении частицы жидкости помимо поступа-тельного движения вдоль оси трубы совершают еще и дви-жения, перпендикулярные оси. При этом распределение скоростей не будет параболическим (рис. 2.6.1.б).

От режима течения жидкости или газа сильно зависит си-ла внутреннего трения. Согласно формуле Ньютона (2.11), сила трения зависит от градиента скорости потока. При турбулентном течении градиент скорости вблизи стенок трубы больше, чем при ламинарном. Очевидно, что при турбулентном течении трение текущей жидкости о непод-вижную стенку значительно больше. Следовательно, если есть необходимость уменьшить силу трения, то это можно сделать, обеспечив ламинарное течение. Поэтому увеличе-ние критического числа Рейнольдса имеет большое практи-ческое значение. Один из параметров, от которого зависит число Рейнольдса – это вязкость жидкости; изменив вяз-кость, мы изменим и само число Рейнольдса. Вязкость га-зов и жидкостей зависит от их температуры. У жидкостей вязкость уменьшается с увеличением температуры, у газов – увеличивается. Измерение вязкостей жидкостей и газов, особенно определение температурной зависимости вязкости, имеют огромное практическое значение. Вязкость учитыва-ется при расчетах количества энергии, необходимой для пе-рекачивания газов и жидкостей по трубам. Во многих слу-чаях по вязкости определяют готовность или качество про-дуктов производства. Например, качество расплавленного стекла определяют по его вязкости. Значения вязкости ма-сел при различных температурах используется при расчете трения в машинах.