Порядок виконання роботи

1. Записати вихідні дані: ₀=(1,250+0,005)10³ кг/м³;  свинцю=(11,40±0,01)10³ кг/м³;  сталі=(7,80 + 0,01)10³ кг/м³.

2. Тричі виміряти внутрішній діаметр циліндра і діаметр кульки. Обчислити середні значення R і r..

3. Мітками 2 позначити і тричі виміряти задану викладачем відстань l між ними. (Для забезпечення рівномірного руху кульки верхня мітка повинна бути на 3–5 см нижче від рівня рідини). Обчислити середнє значення l.

4. Опустити кульку в рідину вздовж осі циліндра і виміряти секундоміром час її руху між мітками. Виконати аналогічні експерименти з п’ятьма кульками.

5. Результати вимірювань і обчислень записати в таблицю.

Номер за пор.	l, м	l, м	R, М	R, м	r, м	r, м	t, с	t, с
1
...
C.з.

Абсолютну похибку вимірювання обчислити за формулою

.

Значення  i ₀ взяти з п.1, t розрахувати як похибку приладу.

6. Кінцевий результат записати у вигляді

 =(  ), E_=...%.

Контрольні запитання

1. Чому внутрішнє тертя належить до явищ перенесення?

2. Від чого залежить сила внутрішнього тертя в рідинах і газах?

3. У чому полягає фізичний зміст коефіцієнта в’язкості рідин?

4. Запишіть і поясніть формулу Стокса. За яких умов її можна застосовувати?

5. Які сили діють на кульку під час її руху в рідині?

6. Від чого залежить коефіцієнт в’язкості рідини?

7. Запишіть і поясніть формулу Пуазейля.

Лабораторна робота № 202. Дослідження залежності коефіцієнта в’язкості рідини від температури

Завдання: визначити коефіцієнт в’язкості гліцерину за різних температур в інтервалі 18–40° С, побудувати графік залежності = f(t°С) і розрахувати енергію активації молекули.

Приладдя: віскозиметр Хепплера з досліджуваною рідиною, скляною кулькою і термометром; лабораторний автотрансформатор (ЛАТР); секундомір.

Теоретичний матеріал, який необхідно засвоїти під час підготовки до роботи: Див. лабораторну роботу №201.

Рис. 2

Рис. 3

Опис установки. Віскозиметр Хепплера (рис. 2) складається зі скляного термостата 1, заповненого водою, всередині якого розміщена трубка 2 з досліджуваною рідиною і скляною кулькою 3. Трубка 2 нахилена під кутом 10° до вертикалі. В термостаті розміщений нагрівник 4 і термометр 5. Живлення нагрівника (не більше 80 В) забезпечують за допомогою ЛАТР 6. Скляний термостат 1 можна обертати навколо осі 00 і фіксувати гвинтом 7 у двох положеннях – прямому й оберненому. Це дає змогу виконувати багаторазові експерименти з досліджуваною рідиною, не виймаючи з неї скляної кульки.

Ідея роботи та виведення робочої формули. Визначення коефіцієнта в’язкості рідини за допомогою віскозиметра Хепплера ґрунтується на вимірюванні часу руху скляної кульки на заданому відрізку шляху у в’язкій рідині, температуру якої можна змінювати.

Під час руху кульки на неї діють такі сили: сила тяжіння ,

сила Архімеда , сила тертя до стінки трубки F₂=N, сила опору рідини рухові кульки F₃, яка за формулою Стокса дорівнює 6rv, де r – радіус кульки; ₁ і ₀ – густина матеріалу кульки і рідини;  – коефіцієнт тертя; N – сила реакції;  – коефіцієнт в’язкості рідини; v – швидкість руху кульки.

Сили, які діють на кульку, показані на рис. 3. Якщо осі Х та У вибрати так, як показано на рис. 3, то, розклавши сили F₁ і mg на складові, рівняння руху кульки (за умови, що її рух рівномірний) можна записати у виглядi

(1)

або . (2)

Врахуємо, що швидкість кульки V можна виразити як

v=l/t, (3)

де l – відстань, яку проходить кулька; t – час руху. Із (2) і (3) отримаємо

,

або  = (₁ - ₀)t, (4)

де  є сталою приладу.

Вираз (4) – це робоча формула цієї лабораторної роботи.

Відомо, що коефіцієнт в’язкості залежить від температури. Для газів цю залежність визначає таке співвідношення:

, (5)

де  – густина; Т – абсолютна температура газу; m – маса молекули;  – середня довжина вільного пробігу. Із (5) можна бачити, що для газів  збільшується з підвищенням температури.

В’язкість рідин, на відміну від газів, зменшується з підвищенням температури. Це зумовлено різним характером руху молекул у рідинах і газах. Перехід молекули рідини від коливального до поступального руху (перехід в інше положення рівноваги) потребує певної енергії активації. Тому коефіцієнт в’язкості рідини залежить від температури так:

, (6)

де Е – енергія активації молекули; k – стала Больцмана; Т – абсолютна температура; ₀ – стала, що має розмірність коефіцієнта в’язкості.

Якщо експериментально визначити коефіцієнти в’язкості рідини ₁ i ₂

за різних температур Т₁ і Т₂, то на підставі (6) легко отримати співвідношення для визначення енергії активації молекул рідини:

. (7)