Визначення в’язкості рідини за допомогою капілярного віскозиметра – МАНЛаб


Визначення в’язкості рідини за допомогою капілярного віскозиметра

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Визначити експериментальне значення кінематичної в’язкості дистильованої води.
  3. Розрахувати експериментальне значення динамічної в’язкості дистильованої води.
  4. Розрахувати теоретичне значення кінематичної в’язкості дистильованої води за кімнатної температури та порівняти його з експериментальним.

Обладнання:

Штатив, скляний капілярний віскозиметр ВПЖ-1, мірний циліндр, секундомір, вода з водогону, термометр, дистильована вода.

Теоретична частина

 

В’язкість, внутрішнє тертя між частинами рідини при її русі – це властивості рідини чинити опір переміщенню одного шару відносно іншого.

Основний закон в’язкого тертя має вигляд:

,

де F – сила в’язкості або внутрішнього тертя, іншими словами – дотична сила, яка викликає зсув шарів рідини;

η – коефіцієнт пропорційності, який називається коефіцієнтом динамічної в’язкості або динамічною в’язкістю;

 – градієнт швидкості, інакше – зміна швидкості руху рідини в перерізі потоку;

S – площа стикання шарів рідини.

  Динамічна в’язкість μ – сила тертя, що припадає на одиницю площі дотичних шарів рідини при градієнті швидкості, що дорівнює одиниці.

  У міжнародній системі СІ одиниця динамічної в’язкості – Паскаль-секунда (Па∙с).

  На рівні з динамічною в’язкістю η у гідродинаміці широко використовується кінематична в’язкість ν, або коефіцієнт кінематичної в’язкості, який визначається залежністю:

.

Значення коефіцієнтів в’язкості визначають експериментально за допомогою віскозиметрів, хоча в кінетичній теорії рідин та газів виведені теоретичні формули для її визначення.

Визначення в’язкості капілярним віскозиметром зводиться до вимірювання часу протікання відомої кількості рідини крізь круглі капіляри при заданому перепаді тиску. Капілярними віскозиметрами вимірюють в’язкість від 10-5 Па∙с (гази) до 104 Па∙с (консистентні змазки).

На рисунку наведена схема віскозиметра типу ВПЖ-1 (віскозиметр для прозорих рідин).

Віскозиметр складається із скляних трубок 3, 10, 11. Трубки 10 і 11 з’єднані між собою коліном 6, а зігнута трубка 3 входить у приймальний резервуар 4. У верхній частині трубки 10 розміщені розширювач 9 та вимірювальний резервуар 8 з двома кільцевими позначками М1 та М2, який з’єднаний із капіляром 7 та резервуаром 4. Трубка 11 у нижній частині переходить у резервуар 5, на якому нанесені позначки М3 та М4, що показують межі наповнення віскозиметрів рідиною. Кінці трубок 3 і 10 мають гнучкі шланги 2 із затискачами 1.

Хід роботи

  1. Заповніть мірний циліндр водою з водогону.
  2. Заповніть дистильованою водою трубку віскозиметра 11 до рівня між позначками М3 і М4.
  3. Після встановлення теплової рівноваги виміряйте температуру води в мірному циліндрі та занесіть значення до таблиці.
  4. Закривши затискач на трубці 3, повільно закачайте рідину в резервуар 8 до рівня вище позначки М1 (приблизно до половини розширювача 9) і перекрийте затискачем трубку 10.
  5. Після звільнення затискача на трубці 3 відкрийте трубку 10.
  6. Виміряйте секундоміром час зниження рівня рідини у трубці 10 τ від позначки М1 до позначки М2. Занесіть значення до таблиці. Зверніть увагу та те, щоб у капілярі не було бульбашок повітря.
  7. Повторіть вимірювання ще 4 рази, заносячи результати до таблиці.

Аналіз даних

1. Розрахуйте середнє значення часу протікання рідини через капіляр τср та занесіть його до таблиці.

2. Розрахуйте експериментальне значення кінематичної в’язкості води за виразом:

,

де ν – коефіцієнт кінематичної в’язкості, м2/с;

    g – прискорення вільного падіння в місці вимірювання, м/с2 (9,81м2/с);

    τ – середній час витікання рідини, с;

    Т – коефіцієнт тарування за паспортом приладу (0,01047 мм22 = 1,047·10-8 м2/с).

3. Розрахуйте експериментальне значення динамічної в’язкості води μ за виразом:

, де ρ – значення густини дистильованої води, взяте з таблиці залежності густини води від температури. Занесіть значення до таблиці.

Таблиця залежності густини води від температури

0С ρ (кг/м3)
0 0,99987
2 0,99997
4 1,00000
6 0,99997
8 0,99988
10 0,99973
12 0,99953
14 0,99927
16 0,99897
18 0,99862
20 0,99823
22 0,99780
24 0,99733
26 0,99681
28 0,99626
30 0,99568
32 0,99506
34 0,99440
36 0,99372
38 0,99300
40 0,99225
42 0,99147
44 0,9907
46 0,9898
48 0,9890
50 0,9881

4. Розрахуйте теоретичне значення кінетичної в’язкості води νт за формулою Пуазейля:

.

Занесіть розраховане значення до таблиці.

 

Таблиця результатів

 

 t, °С τ (c) τср (c) ν (м2/с) η (Па·с) νТ2/с)
1.
2.
3.
4.
5.