Работа № 24 определение вязкости воздуха по истечению из капилляра

Приборы и принадлежности: установка для создания равномерного потока газа, манометр, осушитель воздуха, секундомер, термометр.

Цель работы: определить вязкость и длину свободного пробега молекул воздуха.

Методика измерений и описание установки

Установка для измерения вязкости воздуха изображена на рис.1.

Цилиндрический стеклянный баллон Б при открытом кране К₁ может наполняться водой из резервуара Р, если тот поднят выше баллона. При наполнении баллона водой кран К₂ должен быть повернут в положение а рис. 2, чтобы воздух из баллона мог выходить в атмосферу. Если кран К₂ перевести в положение б рис. 2 и опустить резервуар вниз, то вода из баллона будет перетекать в резервуар Р.

С понижением уровня воды в баллоне Б в него будет засасываться воздух из атмосферы через осушитель О и капиллярную трубку КП. Измерив объем воздуха V, прошедшего через капилляр за некоторое время t и, зная радиус капилляра R, его длину L и разность давлений на его концах P, по формуле Пуазейля можно найти вязкость воздуха :

(1).

Для измерения объема воздуха, протекающего через капиллярную трубку, баллон снабжен шкалой, проградуированной в миллиметрах. Так как температуры атмосферного воздуха и воды а баллоне одинаковы, то объем вытекающей из него воды равен объему прошедшего через капиллярную трубку воздуха.

Разность давлений, возникающая на концах капиллярной трубки, измеряется при помощи масляного U- образного манометра М, снабженного шкалой для отсчета разности уровней масла.

Все узлы установки смонтированы на вертикальной раме.

Порядок выполнения работы

• При закрытом кране К₁ поставить резервуар на полку и открыть кран К₂ на атмосферу (положение а). Приоткрывая кран К₁, наполнить баллон водой.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: При наполнении баллона водой нужно следить за тем, чтобы вода не попала в вертикальную трубу, через которую воздух засасывается в баллон. Попадание воды в капиллярную трубку и масляный U- образный манометр выведет установку из строя.

• Закрыв кран К₁, переставить резервуар в нижнее положение и повернуть кран К₂ в положение б. Осторожно приоткрыть кран К­₁ и отрегулировать сток воды из баллона так, чтобы разность уровней масла в коленах манометра была равна приблизительно 5 см. При таком перепаде давлений течение воздуха через капилляр оказывается ламинарным.

• Когда уровень воды в баллоне достигнет отметки «0» (1000 мл воды), включить секундомер и измерить время вытекания 250 мл воды. Вытекание больших количеств воды сопровождается значительным уменьшением перепада давлений.

• Повторяя операции пунктов 1– 3, произвести измерения 7 раз. В начале и в конце измерений записать температуру воздуха в помещении. Взять среднее из обоих значений. Занести результаты в таблицу 1.

• По окончании работы заглушить систему зажимами от атмосферы.

Таблица 1

№ п/п	t	i		i = i –	i2	
1
2
…
7

• Вычислите вязкость воздуха в каждом опыте по формуле Пуазейля (1). Перепад давлений на концах капилляра определяется из соотношения :

P=P₁–P₂=_мgh (2).

Здесь _м – плотность масла в манометре, равная 0,86 г/см³, h – разность уровней масла в коленах манометра.

Радиус капилляра и его длина указаны на установке.

Определите погрешность .

• По формуле, связывающей объем газа V, прошедший за время t по капилляру радиуса R

V=R²ut (2),

найдите u – среднюю скорость течения воздуха в капилляре.

• Найдите плотность воздуха _возд с помощью уравнения состояния идеального газа. Найдя затем число Рейнольдса для потока воздуха

Re=_воздuR/,

убедитесь в том, что течение воздуха в капилляре имеет ламинарный характер (Re должно быть меньше 1000).

• Зная температуру Т и массу моля воздуха , найдите среднюю скорость движения молекул воздуха :

• Зная вязкость воздуха  и среднюю скорость движения его молекул д найдите  – среднюю длину свободного пробега молекул воздуха:

= ,

а также оцените размер молекулы воздуха.