ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ

Цель работы:

Закрепление знаний по разделу "Молекулярная структура и особенно­сти жидкого состояния", получение навыков опытного определения плот­ности, коэффициентов теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

Теоретическая часть:

Феноменологические свойства жидкости, как сплошной среды, могут существенно изменяться при изменении ее термодинамических парамет­ров. Плотность жидкости ρвозрастает при повышении давления и, как правило, уменьшается при повышении температуры. Последнее свойство характеризуется коэффициентом теплового расширения β_Т, определяющим относительное изменение объема Wпри изменении температуры Т:

Среднее значение этого коэффициента при увеличении температуры

на ∆Т:

где ∆W ― приращение объема.

Вязкость жидкости с повышением давления несколько увеличивается, с повышением температуры ― значительно уменьшается. В частности, для воды справедлива эмпирическая формула Ж. Пуазейля:

где ν- кинематический коэффициент вязкости, м²/с;

Т - температура, °С.

Поверхностное натяжение жидкости определяется видом газа над ее свободной поверхностью, примесями и температурой. Коэффициент по­верхностного натяжения численно равен силе на единице длины пери­метра свободной поверхности жидкости.

Описание опытной установки:

Экспериментальное устройство состоит из ряда приборов, разме­щенных в общем корпусе (рис.1).

Термометр 1 показывает температуру всех жидкостей, залитых в приборы устройства, а также служит для изучения теплового расши­рения находящейся в нем жидкости (этилового спирта). Термометр имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкость, и шкалу. Принцип действия прибора основан на тепловом расширении жидкостей. Изменение температуры окружающей среды, а значит, и жидкости вызывает соответствующее изменение ее объема и, следовательно, ее уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.

Ареометр 2 предназначен для измерения плотности (определяемой концентрацией) водного раствора спирта поплавковым методом.

Прибор представляет собой пустотелый цилиндр со стержнем в верхней части. Глубина погружения ареометра является функцией плотности. Шкала на стержне проградуирована в процентах концентрации спирта.

Вискозиметр Стокса 3 позволяет определить вязкость жидкости по скорости падения в ней шарика. Прибор содержит цилиндрическую полость с центрирующими каналами на концах, заполненную водно-глицериновым раствором, и шарик. Центрирующие каналы обеспечивают падение шарика по оси полости.

При равномерном движении шарика выполняется условие равенства нулю суммы действующих нанего сил:

Здесь P – сила тяжести,

Q– архимедовасила,

F– сила сопротивления движению.

Сила тяжести находится по уравнению:

где ρ_ш– плотность материала шарика;

d– его диаметр;

g– ускорение силы тяжести;

Архимедова сила находится по уравнению:

где ρ– плотность жидкости,

Сила сопротивления движению, в соответствии с формулой Стокса:

где – динамический коэффициент вязкости жидкости;

– скорость падения шарика.

Выражая величину из уравнений (3) ― (6), получаем:

Если за время t_p шарик проходит расстояние l _p, то:

Формула Стокса (6) справедлива, когда шарик падает в неог­раниченном объеме жидкости. Поправку к формуле Стокса, учитывающую влияние стенок полости, теоретически обосновал Ладенбург. С учетом этой поправки, а такие соотношения (8) получаем:

где D – диаметр цилиндрической полости.

Плотномер-вискозиметр 4 содержит два вертикальных канала, со­общающихся между собой сверху и снизу. В один из каналов с малым зазором помещен груз. В прибор залита жидкость (минеральное масло), плотность и вязкость которой определяются по времени падения груза и перепаду уровней в каналах.

Вискозиметр Оствальда 5 служит для определения вязкости жид­кости (масла) по времени истечения ее из емкости через капилляр.

Рис. 1.1. Схема опытного устройства:

1― термометр; 2― ареометр; 3― вискозиметр Стокса; 4― плотномер-вискозиметр; 5― вискозиметр Оствальда; 6― сталагмометр.

Сталагмометр 6 предназначен для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель. Прибор объединен с вискозиметром 5 общими полостями и содержит емкость с капилляром, расширенная на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения при отрыве капель равна их весу, который рассчитывается по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении емкости известного объема.

Приборы 3, 4, 5 и 6 приводятся в действие переворотом корпуса устройства, располагаемого в вертикальной плоскости. Характерис­тики всех приборов указаны на корпусе устройства.

Проведение опыта:

1. Подсчитать общее число градусных делений ∆Т в шкале термо­метра 1 и измерить расстояниеl _Tмежду крайними штрихами шкалы. Эти результаты занести в таблицу наблюдений 1.1., (характеристики тер­мометра: r - радиус капилляра и W - начальный объем термомет­рической жидкости (при 0° C°)).

2. Измерить ареометром (спиртомером) 2 объемную концентрацию (крепость) водно-спиртового раствора С_с.

3. Перевернуть корпус опытного устройства и измерить секундоме­ром время t_p прохождения шариком расстояния l_pмежду двумя мет­ками в приборе 3. Опыт провести три раза. Занести в таблицу наблюдений 1.1. среднеарифметическое значение t_p, величину l_p.

4. Медленно повернуть корпус устройства в его плоскости на 180° против часовой стрелки и в приборе 4 измерить перепад уровней масла h и время t_Mпрохождения грузом расстояния l_M между двумя метками. Записать значения в таблицу наблюдений 1.1.

5. Перевернуть устройство в его плоскости против часовой стрелки и определить время t_вистечения объема жидкости высотой S из емкости капиллярного вискозиметра 5. Повторить опыт не менее трех раз и среднеарифметическое значение времени занести в таблицу наблюдений 1.1. Измерить температуру Т с помощью термометра 1.

6. Повернуть устройство в его плоскости по часовой стрелке, вернув его в исходное положение, и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 6 из объема жидкости высотой S. Повто­рить опыт не менее трех раз и среднеарифметическое значение числа капель П занести в таблицу наблюдений 1.1.

Обработка результатов опыта:

1. Вычислить приращение объема термометрической жидкости, соответствующее повышению ее уровня в капилляре от нижнего до верхнего штриха шкалы:

Влияние расширения баллона и капилляра не учитывается ввиду малости.

По формуле (2) найти значение температурного коэффициента объем­ного расширения β_Ти сравнить его со справочным значением: β^’_T=1,1·10^-3K^-1.

2. Из таблицы 1.1. определить плотность водно-спиртового раствора ρ_c.

Таблица 1.1.

Плотность водно-спиртового раствора (T=20 °C)

3. Вычислить опытное значение динамического коэффициента вязкости водно-глицеринового раствора по формуле (10). Сравнить опытное значение с табличным значением (табл. 1.2 ), рассчитанным методом интерполяции по концентрации раствора С_р, причем:

где ρ_в=998 кг/м³ – плотность воды;

ρ_Г =1260 кг/м³ – плотность глицерина.

Таблица 1.2

Динамический коэффициент вязкости водно-глицеринового раствора (Т=20 °С)

4. Вычислить значения плотности и кинематического коэффициента вязкости масла "Турбинное 22" по формулам:

5. Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости трансформаторного масла в приборе 5 по формуле (15) и сравнить его со значением ν′_в, определенным по справочнику.

6. Определить опытное значение коэффициента поверхностного натя­жения трансформаторного масла по формуле (16) и сравнить его со значением определенным по справочнику.

Результаты всех расчетов внести в таблицу наблюдений 1.1.

Таблица наблюдений 1.1.

Лабораторная работа № 2

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: