Работа № 5. Идентификация жидкостей по коэффициенту вязкости

 

Актуальность работы:

В настоящее время в клинике для определения вязкости крови используют вискозиметр Гесса с двумя капиллярами. Отклонение вязкости крови от нормы, говорит о патологии. Некоторые инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие же, например брюшной тиф и туберкулёз, - уменьшают.

Цель работы:

Экспериментальное определение коэффициента вязкости жидкостей методом падающего шарика и с помощью ротационного вискозиметра.

Целевые задачи:

знать: методы определения вязкости, уравнение внутреннего трения, сила Стокса, метод Стокса.

уметь: определять коэффициент вязкости жидкостей методом падающего шарика и с помощью ротационного вискозиметра.

План подготовки конспекта:

1. Основные теоретические сведения

2. Выяснить, какие величины измеряются в лабораторной работе, каким методом и для чего.

3. Подготовить таблицу.

4. Записать расчётную формулу.

 

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1. Перечислите ограничения введенные Стоксом для использования метода «падающего шарика».

2. Объясните, чем вызваны ограничения по использованию метода «падающего шарика».

3. Как изменится значение коэффициента вязкости исследуемой жидкости, если в опытах использовать шарики из вещества разной плотности?

4. Какой величине равно ускорение падающего шарика перед касанием дна цилиндра?

5. Формула, описывающая закон Ньютона не содержит температуры. Существует ли зависимость вязкости от температуры?

6. С какой целью в вискозиметр Стокса заполняют исследуемой жидкостью выше верхней метки?

 

Теоретические сведения

                       

Вязкостью или внутренним трением жидкости называют её свойство оказывать сопротивление движению тел внутри неё или сопротивление собственному течению. Молекулы жидкости колеблются около временных положений равновесия через определенный интервал, это так называемое «время оседлой жизни». Чем чаще молекулы меняют положение равновесия, тем большей текучестью и меньшей вязкостью обладает жидкость. Чем выше температура жидкости, тем меньше её вязкость. Вязкость является важной физико-химической характеристикой жидкостей.

     Рассмотрим течение жидкости в гладкой трубке. Пусть течение жидкости в трубке ламинарное, т.е. различные слои жидкости текут параллельно друг другу, не перемешиваясь. Между слоями жидкости возникают силы трения, которые действуют таким образом, что уравнивают скорости течения всех соприкасающихся слоев.

Возникновение сил внутреннего трения в жидкостях объясняется взаимодействием молекул соседних слоев. В результате внутреннего трения между слоями жидкости молекулы из более быстрого слоя передают более медленному слою некоторое количество движения, вследствие чего последний начинает двигаться быстрее, а быстрый слой медленнее. сила внутреннего трения действует вдоль площади взаимодействующих слоев и направлена параллельно скоростям тока. Характер течения жидкости полностью определяется скоростями движения её слоёв, но более удобной характеристикой, дающей степень изменения скорости при переходе от слоя к слою, является градиент скорости.

Рис. 5.1. Диаграмма движения двух слоев жидкости

 

Для определения градиента скорости рассмотрим движение двух слоев жидкости, находящихся на расстоянии D х друг от друга и двигающихся со скоростями v ₁ и v ₂ = v ₁ + D v (рис. 1). Изменение скорости течения этих двух слоёв равно: D v = v ₂ - v ₁.

     Чтобы сравнивать изменения скоростей в двух слоях жидкости нужно брать одинаковые расстояния D х между слоями. Сравнить изменения скоростей течения можно, вычислив изменение скорости на единицу расстояния между слоями, взяв за характеристику средний градиент скорости d.

σ =                                                           (1)

величина  называется градиентом скорости течения жидкости. Используя формулу (1), получим размерность градиента скорости:

[σ] = c ^{- 1} = .

     Как показывает опыт, сила внутреннего трения F, возникающая в плоскости соприкосновения двух скользящих относительно друг друга слоев жидкости, прямо пропорциональна площади их соприкосновения D S, градиенту скорости N и зависит от природы жидкости, что учитывается введением в расчетную формулу коэффициента внутреннего трения, иначе называемого коэффициентом вязкости h.

F = - h × D S × N = - h                               (2)

Формула (2) носит называние уравнения внутреннего трения, или закона Ньютона. Знак минус указывает, что сила трения направлена в сторону противоположную направлению течения жидкости.

     У многих жидкостей вязкость не зависит от величины градиента скорости. такие жидкости подчиняются закону Ньютона и их называют ньютоновскими жидкостями, а вязкость - нормальной вязкостью. жидкости, не подчиняющиеся закону Ньютона - называются неньютоновскими, а их вязкость - аномальной.

     Пользуясь формулой (2), запишем выражение для коэффициента вязкости:

  h                                                 (3)

     На основании формулы (3) можно дать определение коэффициента вязкости.

Коэффициентом вязкости называется величина, численно равная силе внутреннего трения, действующей на единицу площади соприкосновения параллельно движущихся слоев при градиенте скорости, равном единице.

Используя выражение (3) получим размерность единицы вязкости в СИ: (кг/мс).