Капиллярный вискозиметр и работа с ним.

Этот прибор представляет собой двухколенчатую изогнутую трубку, одно колено которой имеет капиллярный канал и шарик в верхней части.

С помощью груши засасывают эталонную жидкость в левое колено выше метки а. После этого предоставляют жидкости под действием собственного веса вытекать через капилляр. В тот момент, когда мениск будет проходить мимо метки а, нужно включить секундомер, а при прохождении мениска мимо метки b, секундомер следует остановить. При этом секундомер покажет время t₀, за которое протек через капилляр объем жидкости, заключенный между метками a и b. Таким же образом можно измерить t_х – время протекания такого же объема исследуемой жидкости. Для того, чтобы по формуле (5) найти коэффициент внутреннего трения исследуемой жидкости η_х , нужно знать разностидавлений Δр_х и Δр_0. Величина Δр в вискозиметре зависит от разности уровней жидкости в коленах вискозиметра: (6)

где ρ - плотностьжидкости, h- разность уровней жидкости в коленах вискозиметра. При одинаковых разностях уровней h исследуемой и эталонной жидкостей, отношение давлений равно отношению плотностей этих жидкостей. Величина Δр уменьшается по мере вытекания жидкости, но отношение разностей давлений при равных условиях остается постоянным. Поэтому формулу (5) можно написать следующим образом:

(7)
Плотность исследуемой жидкости ρ_х можно измерить с помощью ареометра. В качестве эталонной жидкости обычно берется вода. Ее плотность ρ₀ и коэффициент внутреннего трения η₀ при температуре опыта находят по таблицам.

Приборы: капиллярный вискозиметр, секундомер, набор жидкостей (глицерина) разной концентрации.

Выполнение работы.

1. Надеть наконечник на резиновую трубку вискозиметра. Промыть вискозиметр, несколько раз засасывая в него воду и выдувая обратно.

2. Набрав дистиллированную воду в вискозиметр столько, чтобы ее мениск находился выше верхней метки вискозиметра и предоставив воде свободно вытекать, с помощью секундомера засечь время протекания объема воды, находящегося между метками. Время протекания t₀ измеряют 3 раза и берут среднее значение t_{0 ср.}

3. Начиная с раствора меньшей концентрации аналогично по 3 раза измеряют время t_х протекания каждой исследуемой жидкости и берут среднее значение t_{х ср}. Результаты занести в таблицу 1

4. Рассчитывают коэффициент внутреннего трения по формуле:

где -коэффициент вязкости воды,

- плотность дистиллированной воды при температуре опыта,

- плотность исследуемой жидкости при температуре опыта

Таблица 1.

Запись наблюдений при определении коэффициента внутреннего трения.

Название жидкости	Время протекания (с)	Δt	Плотность жидкости г/см^3	Коэффициент вязкости пз
Вода	1. 2. 3.		(из таблицы)
	среднее
Исследуемая жидкость: (растворы глицерина) Концентрация
10%	1. 2. 3.
	среднее
20%	1. 2. 3.
	среднее
30%	1. 2. 3.
	среднее
40%	1. 2. 3.
	среднее
50%	1. 2. 3.
	среднее

 

5. Построить график зависимости коэффициента вязкости исследуемой жидкости от концентрации.

6. Сделать выводы.

7. Относительная погрешность при определении коэффициента внутреннего трения может быть вычислена по формуле:

Величины и находят по отклонению от средних значений и . равно половине цены деления ареометра. Погрешность для коэффициента внутреннего трения воды связана с тем, что несмотря на термостатирование температура жидкости несколько изменяется, а изменение температуры на 0,5° вызывает изменение 0,01 спз, поэтому = 0,01 спз = 0,0001 пз. Плотность воды приведена в таблицах с большой степенью точности, кроме того плотность воды мало зависит от температуры, поэтому величиной можно пренебречь.

Определение коэффициента внутреннего трения жидкости по методу падающего шарика (метод Стокса).

Приборы и принадлежности: секундомер, три шарика, микрометр, цилиндрический сосуд с касторовым маслом.

Техника безопасности: общая для лаборатории.

Краткая теория

Этот метод широко применяется для определения коэффициента внутреннего трения сильно вязких жидкостей, таких как глицерин и различные масла. Недостатком этого метода является то, что он требует значительного количества исследуемой жидкости. При движении шарика в вязкой жидкости возникает сила трения, величина которой зависит от коэффициента внутреннего трения жидкости.

В высокий цилиндрический сосуд с касторовым маслом бросают металлический шарик. На шарик, падающий в вязкой жидкости, действуют три силы:

1. Направленная вниз сила тяжести

где r- радиус шарика, ρ_ш - плотность вещества, из которого сделан шарик, g - ускорение свободного падения.

2. Направленная вверх выталкивающая сила (архимедова сила), равная весу жидкости в объеме шарика

где r- радиус шарика, ρ_ж - плотность жидкости.

3. Сила трения F_тр. Эта сила направлена вверх, а ее численное значение находится по формуле Стокса

где r -радиус шарика, η- коэффициент внутреннего трения жидкости, υ- скорость движения шарика. Формула Стокса справедлива только для маленьких шариков, движущихся с небольшой скоростью. При увеличении размеров шариков и при возрастании скорости их движения возможно образование завихрений и сила трения становится пропорциональной более высокой степени скорости.

При движении шарика силы P и F _выт все время остаются постоянными, а сила трения возрастает по мере увеличения скорости. В начале движения сила F _тр очень мала и шарик движется ускоренно под действием силы, равной P –(F _выт.+ F _тр). С увеличением скорости увеличивается и сила F_тр и наступает такой момент, что направленные вверх силы F_тр и F_выт уравновесят направленную вниз силу тяжести Р.

или

= + (1)

 

После этого движение станет равномерным, и скорость можно найти, разделив путь , пройденный шариком, на время t его равномерного движения. Из формулы (1) находим, что

 

= (2)

Эта формула справедлива для бесконечно широкого сосуда. Формула (2) является не совсем точной, так как при ее выводе не было уточнено то обстоятельство, что шарик, падая вниз, вытесняет жидкость. Вследствие этого создается поток жидкости вверх и возникает дополнительная сила. В случае относительно узкого сосуда и с учетом дополнительной силы в формулу (2) вводится поправка, учитывающая радиус сосуда.

 

= = А* (3)

где , r- радиус шарика, R –радиус сосуда,

g = 9,8 м/с =980см/с.

Выполнение работы

Прибор для определения вязкости по методу Стокса представляет собой стеклянный цилиндр,заполненный испытуемой жидкостью.На цилиндре наносятся две метки.Верхняя метка означает начало равномерного движения шарика. Для измерений очень удобны стеклянные или стальные шарики с диаметром 3-4_мм.

При определении коэффициента внутреннего трения жидкости по методу падающего шарика рекомендуется следующий порядок выполнения работы.

1. Измерить диаметр шарика с помощью микрометра.

2. Приготовить секундомер к пуску.

3. Бросить первый шарик в сосуд.

4. В момент прохождения шариком верхней метки включить секундомер, а в момент прохождения нижней метки - остановить.

5. Определить скорость движения шарика по формуле где l –путь, который проходит шарик, двигаясь равномерно.

6. Повторить (пункт 1-5) для других шариков.

7. Зная плотность вещества, из которого сделан шарик ρ_ш, плотность исследуемой жидкости ρ_ж, скорость движения шарика υ, определить коэффициент вязкости для каждого опыта.

8. Найти средний коэффициент вязкости η _ср.

9. Определить абсолютную и относительную ошибки результата.

10. Все полученные данные заносятся в таблицу.

Таблица 2