Опытное определение коэффициента вязкости

Приборы и принадлежности: вискозиметр Стокса с исследуемой жидкостью, ротационный вискозиметр, свинцовые шарики, микрометр, электронный секундомер, линейка.

Вязкость биологических систем изучается наукой называемой биореологией. Приборы, используемые для определения коэффициента вязкости, называются вискозиметрами.

Наиболее распространенный метод вискозиметрии - капиллярный метод, который заключается в измерении времени протекания через капилляр жидкости известной массы под действием силы тяжести при определенном перепаде давлений.   

Используется и ротационный метод (метод вращающихся в жидкости цилиндров) и вискозиметр Гесса, принцип действия которого основан на измерении скоростей заполнения двух капилляров исследуемой и жидкостью эталонной, для которой, известна величина коэффициента вязкости.

Коэффициент вязкости жидкостей может быть определен с помощью метода, в котором используется падающее в жидкости тело сферической формы (например, шарик). Метод, разработанный Стоксом, может применяться при соблюдении следующих требований:

1. Плотность тела должна быть больше плотности исследуемой жидкости.

2. Форма падающего тела должна иметь сферическую форму.

3. Скорость падения тела должна быть равномерной.

4. Наиболее точные результаты при определении коэффициента вязкости могут быть получены, когда тело, согласно диаграмме распределения скорости ламинарного течения жидкости (рис. 2), падает в центре сосуда.

Рис. 5.2. Распределение скорости течения жидкости в гладкой трубке

 

Стокс установил, что сила сопротивления равномерному движению тела сферической формы в покоящейся жидкости, определяется формулой:

                           (4)

где V - скорость движения шарика; r - радиус шарика; h - коэффициент вязкости жидкости.

Как легко видеть по рис. 3, на шарик, кроме силы трения F _тр, определяемой формулой (4), действуют ещё две силы: выталкивающая сила по закону Архимеда F_a и действующая на шарик сила тяжести F _т = Р.

При равномерном движении шарика в жидкости сила тяжести F _т= Р уравновешена силами F _тр и F_a:

, где = F _тр; F ₂ = F _а.                               (5)

Сила тяжести ,

где r - плотность материала шарика; - объем шарика.

Выталкивающая сила F_a = ,

где r ₀ - плотность жидкости.

 

 

 

Рис. 5.3. Вискозиметр Стокса

 

Подставляя в формулу (5) соответствующие значения получим выражение для практического определения коэффициента вязкости жидкости методом падающего шарика:

=  + ,

преобразуем это выражение:

= × g (r - r ₀),

     где V – скорость падения шарика.

отсюда:

h = = ,

 

учитывая, что скорость падения шарика , а  получим расчетную формулу:

,                                    (6)

где D - диаметр шарика, l - высота падения шарика, t - время падения.

 

 

Порядок выполнения работы

1. С помощью микрометра измерить диаметры 3-4 шариков D и занести в таблицу.

2. Измерить линейкой расстояние l от верхней метки цилиндра до нижней.

3. Опустить шарик в центр цилиндра с исследуемой жидкостью и зафиксировать секундомером время t его падения между метками.

4. Опыт повторить для 3-4 шариков разных диаметров.

5. Опустить шарик у стенки цилиндра с исследуемой жидкостью и зафиксировать секундомером время t его падения между метками, проанализировать результат и дать пояснения.

6. Все единицы измерения привести к СИ.

7. Произвести расчет погрешности измерения коэффициента вязкости.

 

Образец таблицы для записи результатов измерений

№ п/п	D, м	D ^2, м^2	t, сек	l, м	r, кг/м^3	r 0, кг/м^3
1.
2.
3.
4.
5.

 

Ротационный вискозиметр

Ротационные вискозиметры (рис. 4) служат для измерения вязкости высококонцентрированных дисперсных систем в области низких температур. 

Ротационный прибор утвержден в качестве стандартного вискозиметра при низких температурах (ГОСТ 1929 – 51).

Прибор применяется для измерения вязкости масел, мазей и аналогичных материалов в пределах температур от 20° до 100°С. Ротационный вискозиметр может также служить для определения предельного напряжения сдвига (предела текучести).

Значение динамической вязкости и предельного напряжения сдвига получается в абсолютных единицах. При этом прибор позволяет производить измерения вязкости в пределах от 5 до 10 пуазов (1 пуаз=1 Н/(м² с)).