Измерение вязкости капельных жидкостей.

Выполнил:

Студент группы ПТЭ-12Лищук Д.С

Руководитель:

Ассистент Михолап Н.Н

Братск 2013

1.1. Цель работы

Получение навыков экспериментального определения: динамического коэффициента вязкости жидкостей с помощью капиллярного вискозиметра.

1.2. Основные теоретические положения

При движении жидкости относительно твёрдых стенок ока испытывает торможение, обусловленное противодействием сил тре­ния, возникающих из-за разности скоростей отдельных частиц. Из­вестно теоретически и подтверждено экспериментально, что частицы жидкости на твёрдой поверхности имеют скорость этой поверхности, а далее отстоящие - составляют пограничный слой, характерный тем, что скорость частиц в нём изменяется от нулевой скорости на твердой стенке до максимальной (относительно стенки) скорости невозмущен­ной этой стенкой потока жидкости.

В гидрогазодикамике введено понятие вязкости, как способ­ности жидкости препятствовать относительному движению её слоев. Количественные соотношения введены на основании гипотезы И. Ньютона о линейной зависимости касательных напряжений в жидко­сти от градиента скорости, направленной вдоль твердой стенки. Мате­матически это выглядит так:

(1)

где Р – сила гидравлического трения, Н; S - площадь касания слоев, м²; τ - касательное напряжение, Па; μ - динамический коэффициент вязко­сти, Па- с; (V/n)₀ - градиент скорости (величина изменения скорости вдоль движения потока в направлении, перпендикулярном движению потока) вблизи твёрдой поверхности, с^-1.

Эта формула является определяющей при расчетах движения жидкости и экспериментальном определении коэффициента динамиче­ской вязкости μ и кинематической v. В частности, при определении последнего используются капиллярные вискозиметры типа ВПЖ-2.

Использование в качестве базового элемента вискозиметра капиллярной трубкой позволяет, за счёт создания а ней гарантирован­ного ламинарного течения (все частички жидкости имеют скорость одинаковую по направлению), полностью отнести потери энергии по­тока жидкости на преодоление трения. Для ламинарного потока в трубке круглого сечения верно соотношение Пуазейля (J.L. Poiseuille):

Q = 0, 2408∙ g∙ h∙ d⁴/ v ∙ l (2)

где Q - расход жидкости, м³/с; g - ускорение свободного падения, м/с²; h - потери напора потока, м, на длине капилляра l, также в м, d - диа­метр капилляра, м; v - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Эта формула позволяет, однозначно сопоставить потери дав­ления (напора) потоком жидкости с её расходом.

Практическая реализация теоретических предпосылок в вис­козиметре дополняется условием стабильности потерь напора за вре­мя проведения опыта, что дает возможность, согласно (2), при неиз­менном расходуемом объёме U, различных жидкостей и температур­ной стабилизации Т= const, однозначно сопоставить время t, истечения этого объёма U с кинематическим коэффициентом вязкости v. Преоб­разуя (2), получим:

t = 4, 153∙ U∙ v ∙ l /g∙ h∙ d⁴ (3)

что, позволяет, определив время опорожнения мерного объёма U для эталонной жидкости (например, для дистиллированной воды при 20℃

v = 1, 007∙ 10^-6 м²/с) все остальные параметры вискозиметра предста­вить в виде экспериментальной константы К и, только при использо­вании вискозиметра в других географических зонах, следует ввести поправочный коэффициент: g_изм/g_т, где в числителе - ускорение сво­бодного падения в месте измерения, а в знаменателе - в месте тариров­ки прибора. В итоге рабочая формула вискозиметра приобретает вид:

v = К∙ t∙ g_изм/g_т (4)

Таким образом, экспериментальное определение коэффициен­та кинематической вязкости сводится к измерению времени истече­ния фиксированного объема этой жидкости и подстановки паспортно­го значения «К» и местного g_изм.

1.3. Описание установки и порядок выполнения эксперимента

Установка для проведения эксперимента включает вискози­метр капиллярный стеклянный типа ВПЖ-2, водяную " Баню" и секун­домер.

Вискозиметр схематически изображён на рисунке 1 и пред­ставляет собой открытую с двух концов U- образную трубку 1, в коле­но 2 которой впаян капилляр 3, с верхней стороны примыкающий к расширению, образующему с верхней 5 и нижней 6 метками мерный объём 4. Внизу колено 2 заканчивается расширением 7, переходящим в другое колено 8 с боковым отводом 9. Над верхней меткой 5 располо­жено ещё одно расширение 10.

Рисунок 1 – Вискозиметр.

Работа выполняется следующим образом. На боковой отвод 9 надевают эластичную трубку от пневмонасоса и, зажав пальцем верх­нее отверстие колена 8, переворачивают вискозиметр 1 и опускают колено 2 в сосуд с исследуемой жидкостью и засасывают её до нижней отметки 6 с помощью резиновой груши или шприца, следя за тем, чтобы в жидкости не образовывались пузырьки воздуха. При достиже­нии уровнем жидкости отметки 6 вискозиметр 1 вынимают из сосуда и быстро переворачивают в нормальное (по рисунку 1) положение и, сняв излишки жидкости с наружной стороны колена 2, опускают его в термостат так, чтобы жидкость в термостате покрывала расширение 10. После выдержки в термостате с заданной температурой не менее 15 минут приступают непосредственно к измерениям. Закрыв верхнее отверстие колена 8, и подавая избыточное давление в боковой отвод 9, добиваются подъёма исследуемой жидкости в расширении 10 пример­но на одну треть, высоты и освобождают верхнее отверстие колена 8. Жидкость под действием собственного веса начинает опускаться и, при достижении её свободной поверхностью верхней отметки 5 вклю­чают секундомер, а при достижении нижней метки 6 секундомер оста­навливают. Измерения проводят не мене трёх раз и определяют сред­нее время протекания жидкости между метками, которое подставляют в рабочую формулу (4) и вычисляют значение коэффициента кинема­тической вязкости v.

В качестве исследуемых жидкостей используется дистиллиро­ванная вода и другие, экологически безопасные водные растворы. Дистиллированная вода используется в начале эксперимента, по дан­ным о её вязкости уточняют постоянную вискозиметра К и сравнивают её с паспортным значением. Найденное экспериментальное значение К может быть использовано при дальнейших опытах.

Результаты измерений, включая характерные параметры жид­кости и время t опорожнения контрольного объёма U, заносятся в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты измерений

1.4. Обработка результатов эксперимента

По данным, внесенным в таблицу 3, с использованием форму­лы (4), вычисляют среднее время серии замеров для стабилизированных параметров жидкости и коэффициенты кинематической вязкости исследуемых жидкостей. Для дистиллированной воды вычисляют (по её определяющей температуре см. таблицу 2) коэффициент динамиче­ской вязкости и производят сравнение экспериментально полученного значения кинематического (или динамического) коэффициента вязко­сти с его табличным значением. Определяется абсолютная и относи­тельная погрешность измерений и делается вывод о возможных при­чинах погрешности.

Таблица 2 - Плотность воды при разных температурах

1.5. Расчеты

1.51. Определяем коэффициент кинематической вязкости

м²/с

м²/с

м²/с

1.5.2. Определяем коэффициент динамической вязкости

Этиловый спирт 70%

Определяем плотность этилового спирта 70%

Этиловый спирт 95%

Определяем плотность этилового спирта 95%

Вывод: экспериментально определили коэффициент динамической вязкости жидкости с помощью капиллярного вискозиметра, которые соответственно равны: , ,