Lucrarea de laborator № 13
INVESTIGAREA DEPENDENȚEI DE TEMPERATURĂ A VIZCOSITĂȚII DE APĂ CU UN VISCOUSIMETRU CAPILAL
Viscozitatea sau frecare internă reprezintă fenomenul apariției unei forțe de frecare între straturile unui fluid în mișcare sau gaz, paralel cu direcția de curgere. Frecarea se datorează transferului momentului molecular de la strat la strat într-o direcție perpendiculară pe direcția de curgere.
Viscozitatea lichidului afectează orice mișcare a lichidului. Prin urmare, cunoașterea viscozității este necesară în multe situații practice: la proiectarea conductelor de apă, gaze și petrol; când studiază mișcarea sângelui și a altor fluide din organism etc. Prin urmare, pentru a măsura vâscozitatea și dependența acesteia de temperatură, s-au dezvoltat multe metode.
Viscozitatea lichidelor diferă semnificativ de vâscozitățile gazelor, adică Sunt mult mai mari în mărime și scad brusc cu creșterea temperaturii (spre deosebire de gaze, unde viscozitatea crește odată cu creșterea temperaturii). Aceasta se datorează influenței considerabile a forțelor de interacțiune între moleculele dens ambalate în stare lichidă asupra transferului impulsului ca urmare a coliziunilor individuale ale moleculelor care se deplasează aleatoriu între straturi cu viteze diferite. Densitățile lichidelor sunt astfel încât distanța medie intermoleculară nu este foarte diferită de domeniul eficient al câmpurilor de forță.
Scopul acestei lucrări este de a studia dependența vâscozității apei de temperatura.
1. Bazele metodei de măsurare a vâscozității cu un viscozimetru capilar
Cu fluxul de lichid în tub, stratul de lichid adiacent peretelui tubului aderă la acesta, iar viteza acestuia este astfel zero. Următorul strat se mișcă, dar din cauza mișcărilor haotice ale moleculelor, unele dintre ele intră în primul strat, pierzând un impuls în coliziuni. Cel de-al treilea strat transferă impulsul spre cel de-al doilea strat, etc. Ca urmare, cea mai mare rată are acea parte a lichidului care este adiacent cu axa tubului și viteza tuturor celorlalte straturi scade de la axa spre perete. Deoarece modificarea momentului pe unitate de timp este egală cu forța, aceasta conduce la apariția unei forțe de frecare interioară. Se exprimă prin formula propusă de Newton,
Astfel, cunoscând expirarea timpului luate fluide t 0 și t 1, iar densitatea p 0 și p 1. se poate determina în raport intern r | Coeficientul de frecare 1 / η 0. 0. și cunoașterea η poate fi calculată și valoarea absolută a lui η 1.
În această lucrare se propune determinarea coeficienților de vâscozitate η al apei distilate la diferite temperaturi; Viscozitatea apei distilate la o anumită temperatură (de exemplu, T = 30 0 C) se presupune a fi o valoare cunoscută a lui η 0 (η 0 este luată din tabelul atașat hârtiei).
Cauzele modificării vâscozității unui lichid cu temperatură se află în însăși natura mișcării termice a moleculelor lichidului. Moleculele lichidului oscilează în apropierea pozițiilor de echilibru în timp, schimbându-le în medie prin timpul τ. Cu cât moleculele își schimbă mai puțin pozițiile de echilibru, cu atât fluidul este mai puțin fluid și fluidul este mai vâscos. Astfel, rezultă că coeficientul de vâscozitate al unui lichid este direct proporțional cu τ. Dar timpul τ depinde de temperatura aproximativ exponențial.
unde τ 0 este perioada de oscilare a moleculei în apropierea poziției de echilibru; k este constanta Boltzmann; E este energia necesară pentru a îndepărta molecula din poziția de echilibru, astfel încât ea, rămasă la ea însăși, să nu se mai întoarcă la poziția inițială de echilibru, ci să fie îndreptată către o nouă poziție de echilibru. E se numeste "energia de activare" a transferului unei molecule dintr-o pozitie de echilibru in alta.
Având în vedere relația proporțională dintre τ și η. pot fi scrise
unde A este un coeficient care depinde de tipul de lichid și variază foarte puțin cu temperatura. Formula (1.15) este numită ecuația Andrade-Frenkel. Este în acord cu datele experimentale.
2. Descrierea configurației experimentale
O investigație a dependenței de temperatură a coeficientului de vâscozitate al apei distilate în această lucrare se realizează pe o instalație a cărei diagramă schematică este prezentată în Fig.
Fig.1. Diagrama schematică și fotografia instalației pentru studierea dependenței de temperatură a coeficientului de vâscozitate:
1 - termostat; 2 - pompă de circulație a termostatului; Termometru cu 3 contacte; 4 - regulator al încălzitorului de lichid în termostat; 5 - viscozimetru; 6 - o seringă pentru alimentarea lichidului de testare către viscozimetru; 7 - circuit de circulație pentru schimbarea temperaturii în viscozimetru; 8 - termometru; 9 - cronometru, 10 - robinet; 11 - recipientul cu lichidul care trebuie examinat
Instalația constă într-un termostat în care o temperatură stabilită a lichidului (în acest caz, apă) cu un grad ridicat de precizie (0,2 K) poate fi menținută cu ajutorul unei pompe de circulație, a unui termometru de contact și a unui regulator. Pentru a menține temperatura în vascozimetrul controlat de un termometru, circuitul de circulație servește. Injectarea lichidului de testare în vâscozimetru se efectuează cu o seringă, iar timpul de curgere a lichidului între semne se măsoară printr-un cronometru.
Viscozimetrul de sticlă capilar (figura 2) este un tub capilar 1 cu un recipient de măsurare 2, mărginit de două mărci M1 și M2. Tubul capilar este lipit în interiorul mantalei 3 a unui vâscozimetru având două orificii 4 și 5 pentru lichidul circulant.
Măsurarea vâscozității cu ajutorul unui vâscozimetru se bazează pe determinarea timpului de curgere printr-un capilar al unui anumit volum de lichid din rezervorul de măsurare. In acest studiu, am măsurat viscozitatea apei distilate la diferite temperaturi de la temperatura camerei până la 8-90 0 C. Viscozitatea apei la temperatura camerei, este considerată a fi cunoscută, și că acesta este comparat cu vâscozitatea aceeași apă la alte temperaturi. În consecință, r | vâscozității 0. în formula (1.13), aceasta este vâscozitatea apei la temperatura camerei (valoarea sa este luată dintr-un tabel, unde valorile sunt luate ρ 0 și ρ 1).
lichid de testare din vasul 11 (a se vedea. Figura 1) este alimentată cu ajutorul unei seringi în vascozimetrul la „H“ nivel în Fig. 2. În același timp, supapa 10 trebuie închisă. După expunerea dispozitivului la o temperatură predeterminată, termostat termometru 8 (vezi. Figura 1) pentru o anumită perioadă de timp, se deschide robinetul 10 și timpul de curgere a fluidului cronometru măsurat între marcajele M1 și M2.
În primul rând, un astfel de experiment este efectuat la temperatura camerei sau aproape de acesta. Cel mai bine este de a seta temperatura de 30 0 C. Se măsoară prin termometrul 8, și este dat un contact termometru termostat regulator 3 și 4. Apoi, 5 - 6 ori determinate de expirarea fluidului între marcajele M1 și M2 sunt media și eroarea în determinarea mediei. Acesta este timpul t 0 din formula (1.13). Apoi experiență
Abaterea medie-pătrată a rădăcinii și eroarea aleatoare în măsurarea timpului de expirare sunt determinate prin formule
unde Δη 0. Δρ 0. Δρ 1 sunt determinate de jumătate din descărcarea (dacă nu este indicată nici o eroare în tabele) ocupate de ultima cifră semnificativă pentru η 0. ρ 0 ρ 1, respectiv (de exemplu, ρ1 = 0,9988 g / cm3) ia Δρ 1 = 0,0005 g / cm3).
3. Tehnica experimentului
P o d t o r t i n u t u u
Pentru a familiariza cu descrierea de lucru, instrucțiuni pentru efectuarea și instalarea de laborator.
Atenție vă rog! Termostatul și cronometrul sunt alimentate cu 220 V, aveți grijă când lucrați!
1. Prin rotirea butonului termostatului în sensul acelor de ceasornic până când acesta se apasă, porniți-l prin setarea temperaturii termometrului de contact la 30 ° C.
2. Clătiți viscozimetrul cu apă distilată. Pentru a face acest lucru de 5 - 6 ori pentru a forma un vâscozimetru și stoarceți seringa cu apă (robinetul 10 este închis). Nu lăsați apa să intre în seringă.
3. Cu robinetul 10 închis, aplicați apă de pe seringă la vâscozimetru la nivelul "H" (vezi figura 2), mențineți apa la acest nivel timp de 3 până la 5 minute la temperatura inițială T = 30 0 С
4. Efectuați un cronometru de 5 până la 6 măsurători ale timpului de curgere a apei între semnele M1 și M2 la T = 30 0 C. Când apa din viscozimetru curge, robinetul 10 este deschis.
5. Folosind un termometru de contact și un regulator termostat, ridicați temperatura lichidului din termostat cu 10 ° C peste temperatura inițială. Controlați temperatura cu ajutorul unui termometru 8 (figura 1).
6. Rezistă lichidul din vascozimetru la această temperatură timp de 3-5 minute și determină timpul de scurgere. 7. Repetați această măsurătoare 10 0 C până la temperatura T = (80 ÷ 90) 0 C.
8. Din formula (1.13), se calculează coeficientul de viscozitate a apei la diferite temperaturi. Înregistrați rezultatele măsurătorilor în tabel.
9. Utilizând formulele (2.1) și (2.2), determinați erorile în măsurarea coeficientului de vâscozitate la T = 60 ° C.
10. Construiți un grafic al dependenței lui ln (η) de temperatura reciprocă 1 / T. Din panta pantei, determinați E conform formulei (1.15). Cel mai bine este să faceți acest lucru pe un computer cu ajutorul celor mai mici pătrate.
11. Construiește un grafic al lui η versus temperatură pentru experiment și pentru date tabulare. Comparați rezultatele din laborator cu tabelele.
12. A trage concluzii.
4. Întrebări de testare
1. Ce este vâscozitatea? Cum depinde vâscozitatea de temperatura?
2. Depinde în mod egal vâscozitatea unei temperaturi pentru lichide și gaze?
3. Care este sensul fizic al "energiei de activare"?
4. În ce condiții este valabilă Legea Poiseuille? Fluxuri laminare și turbulente.
5. Cum este posibilă testarea experimentală a formulei Poiseuille?
1. Kikoin A.K. Kikoin I.K. Molecular physics. M. Nauka, 1976.
2. Vargaftik NB Manualul proprietatilor termofizice ale gazelor si lichidelor. M. Nauka, 1972.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: