Изучение физических свойств жидкостей

Лабораторная работа №1

«Изучение физических свойств жидкостей»

Цель работы: Изучить физические свойства жидкости и газа. Изучить процесс определения вязкости жидкости при помощи вискозиметра Энглера.

Содержание отчета

1. Схема установки.

2. Описание работы.

3. Основные формулы и определения.

4. Таблица результатов расчета, выводы.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные физические свойства жидкости.

2. Что такое плотность? Формула ее определения, единицы измерения.

3. Как зависит плотность вещества от температуры и давления?

4. Что называют удельным объемом жидкости (газа)?

5. Как определить удельный вес жидкости (газа)?

6. Определение сжимаемости, мера сжимаемости.

7. Определение вязкости. Коэффициенты вязкости.

8. Зависимость вязкости вещества от температуры и давления?

9. Способы определения вязкости.

Общие сведения

Жидкостями называют жидкие (капельные) и газообразные тела, которые в отличие от твердых тел не обладают способностью сохранять свою форму. Жидкость приобретает форму резервуара, который она заполняет.

Плотностью однородной жидкости называют количество вещества, содержащееся в единице объема (кг/м³):

(1.1)

где m – масса жидкости или газа в кг; V – объем жидкости или газа в м³.

Плотность жидкости и газа зависит от температуры (t) и давления (Р). Все капельные жидкости, за исключением воды, характеризуются уменьшением давления с увеличением температуры.

Относительная плотность воды максимальна при +4^оС. При изменении давления плотность капельных жидкостей практически не меняется.

Удельным объемом называют объем, занимаемый единицей массы вещества (м³/кг).

(1.2)

где m – масса жидкости или газа (кг); V – объем жидкости или газа в (м³);  - плотность (кг/м³).

Удельный вес жидкости (газа) определяется как вес единицы объема жидкости, т.е. равен отношению веса (силы тяжести) жидкости к ее объему (Н/м³).

(1.3)

где G – вес (сила тяжести) жидкости (Н); V – объем жидкости (газа) (м³).

Вес жидкости или газа определяется произведением массы т на ускорение силы тяжести g в пункте измерения. Тогда удельный вес равен:

(1.4)

Сжимаемость – это способность жидкости или газа уменьшать свой объем под действием сил внешнего давления. Мерой сжимаемости является т.н. модуль объемной упругости (Е).

(1.5)

где Р – изменение давления; V – изменение объема; Vо – первоначальный объем.

Для капельных жидкостей сжимаемость очень мала, поэтому ею можно пренебрегать и течение капельных жидкостей можно рассматривать, как течение несжимаемых жидкостей.

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) слоев частиц. Вязкость жидкости и газа объясняется сопротивлением, которое возникает при движении их по трубам. Внутреннее трение газов и жидкостей характеризуется коэффициентом вязкости.

Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Динамический коэффициент вязкости - µ [кг/(м^.с)] – зависит от свойств жидкости.

Кинематический коэффициент вязкости – отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости (м²/с).

(1.6)

При увеличении температуры вязкость капельных жидкостей уменьшается, а газов увеличивается. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах вязкость обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с температурой. Поэтому вязкость газов с увеличением температуры возрастает. Вязкость капельных жидкостей зависит также и от давления. С увеличением давления вязкость большинства жидкостей возрастает, но при давлениях меньше 10 МПа изменением вязкости пренебрегают.

Вязкость капельных жидкостей определяют при помощи приборов, называемых вискозиметрами. Принцип действия вискозиметра может быть разным. Часто определяют вязкость на вискозиметре типа ВУ. Принцип его работы основан на том, что одинаковые объемы жидкостей, имеющих разную вязкость, вытекают через калиброванный капилляр за разные промежутки времени. В качестве эталонной жидкости применяют обычно дистиллированную воду. Полученную вязкость выражают в условных градусах ^оВУ, которые представляют собой отношение времени истечения определенного объема данной жидкости из вискозиметра ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20 ^оС, называемою водным числом прибора.

Поверхностное натяжение – это сила, действующая на единицу длины поверхности раздела жидкости и соприкасающейся с ней среды. Оно возникает там, где есть двухфазная среда, либо однофазная среда, но две различные жидкости.

Поверхностное натяжение вызвано силами взаимного притяжения между частицами поверхностного слоя жидкости на границе раздела с другой жидкостью или газом. Под действием этих сил поверхность жидкости оказывается покрытой равномерно натянутой пленкой, которая стремится передать объему жидкости сферическую форму.

Особенно сильное поверхностное натяжение появляется в трубах малого диаметра. В них, благодаря дополнительному давлению, которое вызвано силами поверхностного натяжения, положение жидкости изменяется. С ростом температуры поверхностное натяжение снижается. В некоторых случаях для упрощения решений задач гидродинамики вводится понятие идеальной (невязкой) жидкости.

Описание установки

Вискозиметр Энглера (см. рис. 1.1) состоит из латунного цилиндрического сосуда 1, помещенного в водяную ванну 2. К цилиндрическому дну сосуда 1 припаяна латунная цилиндрическая трубка 3, в которую вставлена платиновая трубочка-насадок 4.

5 – стопорный стержень для закрытия отверстия насадка. 6 – термометр для измерения температуры исследуемой жидкости.

Рис. 1.1 Схема вискозиметра Энглера.

Выполнение работы

Перед проведением опыта отверстие насадка закрыть стопорным стержнем 5 и в резервуар 1 налить 200 см³ исследуемой жидкости. Подогревая или охлаждая водяную ванну, можно получить необходимую температуру исследуемой жидкости (измеряемую термометром 6), при которой определяется вязкость. Эта температура во время опыта поддерживается постоянной. Затем поднятием стопорного стержня открыть отверстие насадка и по секундомеру отметить время t истечения всего объема исследуемой жидкости. Таким же образом определяют время t_c истечения 200 см³ стандартной жидкости — дистиллированной воды при температуре 20°С.

Отношение t/t_C характеризует величину вязкости жидкости и называется относительной вязкостью. Эта вязкость выражается в так называемых условных градусах Энглера (°Е).

По стандарту единица измерения относительной вязкости называется градусом условной вязкости (обозначается °ВУ), который численно равен градусу Энглера.

Обработка опытных данных

Для перевода вязкости, измеренной в градусах Энглера, в кинематическую пользуются формулой:

(1.7)

Пересчет условной вязкости в кинематическую

Таблица 1.1

В табл. 1.1 приведены рекомендованные стандартом значения кинематической вязкости в зависимости от условной вязкости (°ВУ).

Для перевода более высоких значений условной вязкости применяют формулу:

(1.8)

Результаты наблюдений, опытные и расчетные данные заносят в отчетную таблицу 1.2.

В таблице должны быть указаны: название исследуемой жидкости, номер опыта, время истечения 200мл дистиллированной воды, время истечения 200мл исследуемой жидкости, величина относительной вязкости, величина кинематической вязкости.

Результаты выполнения работы.

Таблица 1.2