Изучение температурной зависимости коэффициента внутреннего трения жидкости

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №19.

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА

ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Цель работы: ознакомится с принципом действия вискозиметра и научиться пользоваться им, изучить температурную зависимость коэффициента внутреннего трения жидкости, определить энергию активации молекул жидкости.

Оборудование: капиллярный вискозиметр, термостат, сосуд с  глицерином, секундомер.

Краткие теоретические сведения.

Внутреннее трение жидкости.

Из опыта известно, что если к жидкости приложить силу, например, с помощью тонкой пластины площадью S, то жидкость будет перемещаться, причем возникает градиент скорости, направленный перпендикулярно действующей силе(рис.9).

Максимум скорости будет приходиться на точки приложения силы. Хотя внешняя сила приложена к молекулам в слое 1, в движение также придут молекулы в слоях 2, 2’, 3, 3’ и т.д., причем скорость от слоя к слою будет уменьшаться. Следовательно, между слоями существует связь, взаимодействие. Это же взаимодействие приводит к тому, что слои останавливаются после окончания действия силы.

Такое межслойное взаимодействие можно охарактеризовать силами, которые противодействуют изменениям в движении жидкости. Эти силы называются силами внутреннего трения.

Опыт показывает, что силы внутреннего трения пропорциональны площади соприкосновения слоев S и модулю градиента скорости (закон Ньютона):

,                                            (36)

где h - коэффициент внутреннего трения. Он зависит от природы жидкости, давления и температуры. Коэффициент внутреннего трения часто называют коэффициентом вязкости или просто вязкостью. Температурную зависимость коэффициента вязкости и предстоит определить в данной работе.

Итак, внутреннее трение (или вязкость) - это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. При перемещении одних слоев относительно других возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности слоев и описываемые законом Ньютона (36). Действие этих сил проявляется в том, что со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Со стороны же слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая сила.

Причины внутреннего трения жидкостей.

Приведем механизмы возникновения вязкости жидкостей. Если вязкость газов и ее температурная зависимость может быть рассчитана  с помощью методов, основанных на представлениях молекулярно-кинетической теории газов, то для определения вязкости жидкостей и ее температурной зависимости аналогичной теоретической базы в настоящее время не существует. Отсутствие регулярной структуры в  расположении молекул жидкости наряду с наличием больших сил  межмолекулярного взаимодействия затрудняет точный расчет. Плотности жидкостей таковы, что в отличие от газов, среднее межмолекулярное расстояние не очень сильно отличается от радиуса действия межмолекулярных сил. Характер межмолекулярных сил и определяет вязкость жидкостей.

Таким образом, приходится констатировать, что в настоящее время ни одна теория не позволяет рассчитать температурную зависимость вязкости жидкости  априори. Поэтому приходится использовать эмпирические соотношения. Имеются сотни соотношений ВЯЗКОСТЬ - ТЕМПЕРАТУРА, описывающих те или иные жидкости в том или ином температурном интервале. В относительно широком интервале температур вязкость многих жидкостей, состоящих из сложных молекул с водородными связями, таких как спирты, глицерин, хорошо описывается  эмпирической формулой

 ,                                       (37)

где h₀ и U - константы, различные для разных жидкостей,

k - постоянная Больцмана.

Отметим еще раз, что резкое уменьшение вязкости с повышением температуры, описываемое формулой (37), характерно только  для жидкостей, молекулы которых состоят из большого числа атомов. Для простых жидкостей, таких как сжиженные инертные газы и жидкие металлы, вязкость практически не зависит от температуры.