Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса



Скачать 117.24 Kb.
Дата08.05.2013
Размер117.24 Kb.
ТипМетодические указания
Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования
фимский государственный нефтяной технический университет"

Филиал УГНТУ в г. Салавате
Кафедра "Общенаучные дисциплины"


СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ
Зав. кафедрой ОНД Зам. директора по учебной работе, доцент
______________Ю.А.Жаринов Г. И. Евдакимов


________________________2006 ____________________________2006

Методические указания к лабораторной работе
Определение коэффициента динамической

Вязкости методом Стокса
Дисциплина «Физика»

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда ассистент кафедры ОНД
_____________ Г. В. Мангуткина ______________В.Г. Прачкин
___________________ 2006 __________________2006


Салават 2006

Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений», 240801 «Машины и аппараты химических производств», 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Рассмотрено на заседании кафедры ОНД

Протокол №__________ от_____________2006
© Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате

Определение коэффициента динамической

Вязкости методом Стокса


Цель работы:

"Определение коэффициента динамической вязкости методом Стокса"
Приборы и принадлежности:

цилиндрический сосуд с маслом, секундомер, микробюретка с водой, пикнометры.
Введение

Группу процессов, связанных с неоднородностями плотности, температуры и скорости упорядоченного перемещения отдельных слоев вещества, объединяют явления переноса. Суть их состоит в том, что в среде происходит направленный перенос массы (диффузия), импульса (внутреннее трение) и внутренней энергии (теплопроводность).

Явление внутреннего трения (вязкости) наблюдается в телах при всех агрегатных состояниях, но наибольшее практическое значение оно имеет для жидкостей.


Рисунок 1
Рассмотрим жидкость, в которой слои движутся в направлении оси х (рис. 1) с разными скоростями. Выделим два слоя на расстоянии dz, движущиеся соответственно со скоростями v + dv и v. Отношение dv/dz характеризует изменение скорости потока в направлении оси z, и называется градиентом скорости.

В процессе хаотического движения молекулы верхнего слоя переносят свой импульс в нижний, увеличивая тем самым его скорость.
В свою очередь молекулы нижнего слоя переносят свой импульс в верхний слой, уменьшая тем самым его скорость. В результате между слоями возникает внутреннее трение, сила которого F будет действовать вдоль площадки S параллельно скорости потока.

По закону, установленному впервые Ньютоном, сила внутреннего трения, возникающая в плоскости соприкосновения двух скользящих относительно друг друга слоев жидкости, прямо пропорциональна площади их соприкосновения S и градиенту скорости dv/dz
. (1)
Коэффициент пропорциональности  называется коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом динамической вязкости.

Полагая в формуле (1) dv/dz = - 1 с-1 , S = 1 м2 , получим F = . Динамическая вязкость численно равна силе внутреннего трения, действующей на 1 м2 площади соприкосновения параллельно движущихся слоев жидкости при градиенте скорости - 1 с-1.

В СИ единица коэффициента вязкости следует из его определения:
 = Н . с / м2 = Па . с.
Динамическая вязкость для простых жидкостей не зависит от скорости, а зависит от природы жидкости и температуры. С повышением температуры она уменьшается.

Наряду с коэффициентом динамической вязкости , часто употребляется коэффициент кинематической вязкости 

.

,
где  - плотность жидкости.

В СИ единицей измерения коэффициента кинематической вязкости является м2 / с

Находит применение и так называемая относительная вязкость отн, которая равна отношению исследуемой и эталонной жидкостей:
. (2)
В ряде случаев определяют условную вязкость ВУ (см. задание № 3), выражаемую в условных градусах.

Французский ученый Пуазейль показал, что объем жидкости V, протекающий по тонкой трубе, пропорционален четвертой степени радиуса трубы r, времени , разности давлений жидкости на концах трубы   и обратно пропорционален вязкости жидкости  и длине трубы L (см. рис. 2)

(3)
По формуле Пуазейля (3) можно опытным путем определить динамическую вязкость (см. задание № 2).Однако следует иметь в виду, что она справедлива лишь для ламинарного (слоистого) течения, когда слои как бы скользят друг относительно друга не перемешиваясь.



Рисунок 2
При увеличении скорости потока характер течения существенно изменится. В потоке появляются вихри, перемешивающие между собой все слои жидкости. Такое движение называется турбулентным. В этом случае скорость движения почти одинакова по всему сечению трубы и лишь в вблизи стенок возникают очень большие градиенты скорости (рис. 3).


Рисунок 3

 - вихри;

v – средняя скорость потока.

Английский ученый Осборн Рейнольдс установил, что характер течения жидкости зависит от безразмерной величины Rе, названной числом Рейнольдса:
(4)
где  – средняя скорость потока жидкости относительно стенок трубы,

 - плотность жидкости,

 - динамическая вязкость,

l - характерный определяющий линейный размер трубки. Обычно при Rе > 3000 течение является турбулентным.

Другим английским исследователем Стоксом установлено, что для тел шарообразной формы, движущихся с небольшой скоростью, сила сопротивления жидкости пропорциональна вязкости жидкости , диаметру шара d и скорости движения :
F = 3dv (5)

Краткая теория


На шарик, свободно падающий в жидкости ( см. рис. 4 ), действуют силы:

Сила тяжести

Выталкивающая сила  = ( по закону Архимеда )

Сила вязкого сопротивления F = 3dv ( cм. формулу Стокса ( 5 ) ).
Вначале шарик падает в жидкость ускоренно т. к. сила тяжести преобладает над суммой двух других сил. Однако по мере возрастания скорости увеличивается сила вязкого сопротивления F и с некоторого момента алгебраическая сумма всех сил, действующих на шарик, становится равной нулю т. е. движение шарика становится равномерным ( I закон Ньютона ). Для этого случая можно написать:
Р – F -  = 0 ; F = P - .

или

.

Тогда

,

где  - плотность шарика (воды);

1 - плотность среды (масла);

d – диаметр шарика;

v - скорость падения шарика;

 - коэффициент динамической вязкости.

Рисунок 4 – 1 – вода; 2 – масло.



Ход работы

1 Устанавливают заданное расстояние l между метками на сосуде с маслом, причем верхняя метка должна быть на расстоянии не менее 5 см от поверхности жидкости.

2 Добиваются, чтобы вода на микробюретке вытекала отдельными редкими каплями.

3 Измеряют секундомером время падения отдельных капель  ( не менее 5 раз ) между этими метками, определяют среднее значение <  >.

4 Расcчитывают скорость падения v (считая движение равномерным).

5 Для определения диаметра капли отмечают уровень воды в микробюретке Q1, см3 (1 мл = 1 см3). Затем выпускают 10 капель и отмечают опять уровень Q2, см3 . Объем одной капли равен:
, или
отсюда
. (6)
6 Плотность масла 1 определяют с помощью пикнометров (см. приложение). Плотность воды находят по справочнику, в зависимости от комнатной температуры.

7 Данные измерений заносят в таблицы 1, 2, 3.

Таблица 1

Время падения капли


Номер опыта
















Время, с

















Таблица 2 – Результаты измерения других величин.

Расстояние между метками, м

Темпера-тура, 0С

Уровень жидкости в микробюретке, м3

Масса пикнометров, кг

l

l

t

Q1

Q2

Q

M0

M0

M1

M1

M


































Таблица 3

Результаты расчетов


Скорость капли v, м/с

Диаметр капли d, м

Плотность


Вязкость , Па.с







Воды кг/м3, 0

Масла кг/м3, .





















Приложение


Определение плотности жидкости методом пикнометра
Пикнометрический способ основан на измерении массы определенного объема жидкости к отнесении ее к массе того же объема воды при той же температуре. В нашей лаборатории используется пикнометр с меткой (рис.1), закрывающийся притертой пробкой.


Рисунок 1 – М0 – масса пикнометра, заполненного дистиллированной водой до метки; М1 – масса пикнометра, заполненного маслом до метки; М – масса пустого пикнометра.
Сущность измерения плотности заключается в взвешивании пикнометра с исследуемой жидкостью, с водой, а также пустого пикнометра:

1 Чистый пикнометр заполняют дистиллированной водой до метки. Если верхний край мениска оказался выше метки, то избыток жидкости "отсасывают" фильтровальной бумагой, свернутой в тонкую трубку. Вытирают капли жидкости с наружных стенок и из горловины выше метки, закрывают пробкой и взвешивают на аналитических весах с точностью до мг (0,001).

2 Пикнометр освобождают от воды, высушивают до постоянного веса М, осторожно наливают исследуемую жидкость (как в п. 1) и взвешивают на тех же весах (М 1).

Формулу для расчета плотности можно получить из следующих несложных рассуждений:

плотность – масса вещества, содержащегося в единице объема:
,
тогда плотность воды

,
где V- объем пикнометра (до метки).
Плотность исследуемой жидкости

отсюда
.

Контрольные вопросы

  1. Внутреннее трение, как одно из явлений переноса.

  2. Градиент скорости, формула Ньютона для вязкости.

  3. Динамическая и кинематическая вязкости, физический смысл и единицы измерения.

  4. Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. Критерий Рейнольдса.

  5. Силы, действующие на тело, падающее в жидкости.

  6. Формула Пуазейля. Вывод (к работам №№ 12, 13)

  7. Формула Стокса. Вывод расчетной формулы для определения вязкости, методом Стокса (к работе № 15)

  8. Вывод формулы для расчета вязкости в визкозиметрическом методе (к работе № 12)

  9. Методы определения скорости падения и диаметра капли воды в масле (к работе № 15)

  10. Эффективный диаметр, средняя длина свободного пробега молекул, определение, физический смысл (к работе № 13)

  11. Вывод формулы для расчета вязкости газа, средней длины свободного пробега и эффективного диаметра молекулы (к работе № 13)

  12. Пикнометрический метод определения плотности жидкости.



Техника безопасности

  1. Требования безопасности перед началом работ:

    1. К работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж на рабочем месте с соответствующей отметкой в журнале.

    2. Работа в лаборатории проводится согласно общего расписания занятий. Во внеурочное время работа может выполняться только с согласия преподавателя и в присутствии лаборанта.

    3. Запрещается включать электрооборудование и приборы без разрешения преподавателя или лаборанта.

    4. Работа в лаборатории разрешается при наличии:

  • исправного электрического оборудования и электрической проводки;

  • заземления;

  • средств пожаротушения (огнетушитель, кошма, песок);

  • аптечки 1-ой медицинской помощи.

    1. До начала работы студенты обязаны тщательно ознакомиться с инструкциями к лабораторным работам, устройством установок и принципом их работы.

  1. Требования безопасности во время работы:

    1. Запрещается оставлять включенные электрические установки и приборы без надзора;

    2. Не допускается сборка, разборка и монтаж приборов, находящихся под напряжением;

    3. Запрещается касаться неизолированных токоведущих частей.

  2. Требования безопасности по окончании работы:

    1. По окончании работы необходимо отключить питание электрических приборов, привести в порядок рабочее место.

Литература

  1. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1,2,3 ­– М.: Наука, 2000. – 432с,496с,304с.

  2. Яворский Б.М, Сивухин А.А. Основы физики, т.1,2 – М.: Наука, 2001 – 576c,552c.

  3. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.1,2,3– М.: Наука, 2000. 339с,368с,446.

  4. Волькинштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики – М.: Наука,2001. – 328с.

  5. Трофимова Т.И. Курс общей физики – М.: Наука, 2001. – 541с.

  6. Трофимова Т.И. Сборник задачо курсу физики с решениями – М.: Высш. Шк., 2002. – 591с

  7. Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.1,2,3,4,5 –М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006. – 560с, 544с, 656с, 792с, 784с.

Похожие:

Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconЛабораторная работа №20 определение коэффициента внутреннего трения (вязкости) жидкости методом стокса
Цель работы: изучить движение твёрдого тела (шарика) в вязкой жидкости; определить коэффициенты динамической и кинематической вязкости...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconОпределние коэффициента вязкости жидкости методом течения через узкий канал
Определение коэффициента вязкости жидкости методом течения через узкий канал: Методические указания к лабораторной работе №12 по...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconЛабораторная работа №6 определение температурной зависимости коэффициента вязкости жидкости
Целью работы является измерение коэффициента вязкос-ти жидкости методом Стокса и получение эмпирической за-висимости вязкости от...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconМетодические указания к лабораторной работе по вентиляции «определение величины коэффициента местного сопротивления отвода 90 0»
Методические указания к лабораторной работе по вентиляции «Определение величины коэффициента местного сопротивления отвода 900»....
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу
Расчет радиоэлектронных схем методом узловых потенциалов: Методические указания к лабораторной работе по курсу "Основы компьютерного...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconМетодические указания к лабораторной работе Определение эдс методом компенсации д исциплина
Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconАнализ температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения и динамического коэффициента вязкости жидкости
При анализе характера взаимосвязи коэффициента поверхностного натяжения и коэффициента динамической вязкости жидкости в работах [1,...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconМетодические указания к лабораторной работе Москва, 2003 г. Лабораторная работа 2 Определение концентрации раствора методом титрования
Цель работы: ознакомление с понятием "растворы" и способами выражения содержания растворенного вещества; определение концентрации...
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconЛабораторная работа №12 изучение явлений переноса на примере внутреннего трения жидкостей
Измерить методом Стокса коэффициенты динамической и кинематической вязкости глицерина
Методические указания к лабораторной работе Определение коэффициента динамической Вязкости методом Стокса iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу «Информатика»
Методические указания к лабораторной работе по информатике знакомят с назначением и функцией программы оболочки
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org