Определение коэффициента вязкости жидкости вискозиметром Оствальда

                                                 Лабораторная работа № 13

             Определение коэффициента вязкости жидкости вискозиметром Оствальда.

Цель работы: Изучение внутреннего трения в жидкостях, определение коэффициента вязкости с помощью закона Пуазейля.

Приборы и принадлежности: Вискозиметры Оствальда одинакового диаметра, эталонная жидкость, исследуемая жидкость, таймер- секундомер.

                                                           Введение

При ламинарном движении жидкости по узкой (капиллярной) трубке, стенки которой смачиваются этой жидкостью, скорость течения от оси к стенкам постепенно убывает, изменяясь по параболическому закону. Наибольшая скорость частиц, движущихся вдоль оси трубки, у частиц, непосредственно прилегающих  к стенкам, она равна нулю. На рис.1 изображен профиль скоростей при таком течении. Так как существует отличный от нуля градиент скорости DU/Dx в направлении перпендикулярном движению, то между соседними слоями возникает сила внутреннего трения, определяемая законом Ньютона (см. описание раб. 12).

                                     F=-h(DU/Dx)DS                              (11)

Здесь DS- площадь поверхности соприкасающихся слоев; знак «-« указывает направление силы трения в сторону противоположную движению; h- коэффициент вязкости характеристика внутреннего трения жидкости, зависящая от природы жидкости и температуры и численно равная силе внутреннего трения, возникающей между двумя слоями жидкости единичной площади при градиенте скорости между ними равном единице.

В системе СИ размерность коэффициента вязкости равна [ h] = кг/м с. Более подробно о природе вязкости жидкости и газов и зависимости h от температуры смотреть в описании лабораторной работы 12.

В данной работе определение коэффициента вязкости основано на законе Пуайзеля, согласно которому объем жидкости V, вытекающий при постоянном давлении из капиллярной трубки радиуса r за время i , прямопропорционален перепаду давлений на концах трубки р₁-р₂, четвертой степени радиуса трубки, времени истечения жидкости- i  обратно пропорционален длине трубки - и коэффициенту вязкости жидкости- h,

                                                         (2)

Закон Пуазейля справедлив только для ламинарных течений жидкостей. Закон Пуайзеля (2) в специальных приборах - вискозиметрах используется для определения коэффициентов вязкости жидкостей путем сравнения времени их истечения при прочих равных условиях с временем истечения эталонной жидкости, а именно, если взять две различных жидкости одинаковых объемов и измерить время их истечения через одинаковые капилляры, то по формуле (2) получим                                                                     

                                       

Отсюда для коэффициента вязкости исследуемой жидкости находим

                                         h₂=h₂(Dp₂/Dp₁)×(i₂/i₁)                   (3)

Если жидкость вытекает только под действием силы тяжести, то Dp₁ и Dp₂  есть соответствующие гидростатические давления равные:                       

                                   Dp₁=p₁qh ,                Dp₂ =p₂qh          (4)

где р₁ и р₂ - плотность жидкостей. С учетом явного вида Dp₁  и Dp₂ формула (3) окончательно примет вид:                                              

                                        h₂=h₂×(p₂i₂/p₁i₁)                             (5)

Итак, формула (5) позволяет, измерив время истечения жидкостей, а также зная их плотности, по коэффициенту вязкости эталонной жидкости - h₁ определить коэффициент вязкости исследуемой жидкости  h₂ .

                                       Описание установки     

В работе используются два одинаковых капиллярных, стеклянных вискозиметра с висячим уровнем, в одном из которых находится эталонная жидкость, в другом - исследуемая. Вискозиметр состоит из измерительного резервуара 4, ограниченного двумя кольцевыми отметками М₁ и М₂ , резервуар 4 переходит в капилляр 5 и резервуар 6, от которого отходят трубка 3 и трубка 1. Трубка 1 имеет резервуар 7 с метками М₃ и М₄, указывающими пределы заполнения вискозиметра жидкостью. Жидкость из резервуара 4 по капилляру 5 стекает в резервуар 6, образуя у нижнего конца капилляра «висячий уровень».

                                    Порядок выполнения работы

1.  Проверить вертикальное положение вискозиметра с эталонной жидкостью.

2.  Проверить находится ли уровень жидкости в трубке между отметками М₃ М₄ , при необходимости долить жидкость.

3.  Перекрыть кран 9 соединенный с трубкой 3.

4.  Надеть в сжатом состоянии резиновую грушу на конец 10 трубы 2.

5.  Засосать грушей при закрытом кране 9 жидкость выше отметки М₁ примерно до половины резервуара 8.

6.  Снять грушу и открыть кран 9.

7.  Наблюдая истечение жидкости, секундомером измерить время и истечение от отметки М₁ до отметки М₂. Опыт повторить не менее 5 раз.

8.  Аналогичные измерения провести в другом вискозиметре с исследуемой жидкостью.

9.  По результатам измерений заполнить таблицу.

Измерения	Время истечения жидкости, с
	эталонной i1(С)	исследуемой i2(С)

1.

2.

3.

4.

5.

ср. значение

10. По средним значениям измеренных величин посчитать среднее значение коэффициента и соответствующих погрешностей.

            

11. Записать ответ в виде        

                              Контрольные вопросы 1

1.  Чем обусловлена вязкость, от чего зависят силы внутреннего трения?

2.  Дайте определение коэффициента вязкости.

3.  Сформулируйте закон Пуайзеля и объясните, как он используется для определения коэффициента вязкости.

Контрольные вопросы 2

1.  Объясните причину внутреннего трения в жидкости.

2.  Сформулируйте закон Пуайзеля и объясните границы его применимости.

3.  Дайте вывод рабочей формулы и объясните устройство вискозиметра.

4.  Объясните на основе молекулярных представлений, как зависит коэффициент вязкости от температуры?

                                                     Литература

1.  Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т. 1 1967 г.

2.  Грабовский Р.И. Курс физики, 1980 г.

3.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1,1971 г.