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 βТ, 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:
ν = 0,179 · 10-2/ (1000 + 34Т +0,22Т2)
| (1.3)
| 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 ρш– 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 tp 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 Сс.
3. Перевернуть корпус опытного устройства и измерить секундомером время tp прохождения шариком расстояния lpмежду двумя метками в приборе 3. Опыт провести три раза. Занести в таблицу наблюдений 1.1. среднеарифметическое значение tp, величину lp.
4. Медленно повернуть корпус устройства в его плоскости на 180° против часовой стрелки и в приборе 4 измерить перепад уровней масла h и время tMпрохождения грузом расстояния lM между двумя метками. Записать значения в таблицу наблюдений 1.1.
5. Перевернуть устройство в его плоскости против часовой стрелки и определить время tвистечения 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 βТи сравнить его со справочным значением: β’T=1,1·10-3K-1.
2. Из таблицы 1.1. определить плотность водно-спиртового раствора ρc.
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 Ср, причем:
где ρв=998 кг/м3 – плотность воды;
ρГ =1260 кг/м3 – плотность глицерина.
Таблица 1.2
Динамический коэффициент вязкости водно-глицеринового раствора (Т=20 °С)
Ср, %
|
|
|
|
|
|
| · 103, Па·с
| 1,3
| 2,1
| 6,0
| 61,8
| 543,5
| 1490,0
|
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.
∆Т
| lT
| r
| W
| ∆W
| βТ
| Β`Т
| Cc
| ρc
| tp
| lp
| °С
| мм
| см
| мм3
| см3
| К-1
| К-1
| %
| кг/м3
| с
| мм
|
|
| 0,001
| 257
|
|
|
|
|
|
|
|
d
| D
| ρ
| ρш
| | | h
| tм
| А
| В
| ρгр
| м
| м
| кг/м3
| кг/м3
| Па·с
| Па·с
| мм
| с
| м-1
| м/с2
| кг/м3
| 0,005
| 0,02
| 1260
| 3984
|
|
|
|
| 36
| 77·10-6
| 2240
|
ρм
| vм
| tв
| M
| νв
| T
| v`в
| n
| K
|
|
| кг/м3
| м2/с
| с
| м2/с2
| м2/с
| °С
| м2/с
|
| м3/с2
| H/м
| H/м
|
|
|
| 18·10-9
|
|
|
|
| 11·10-3
|
|
|
Лабораторная работа № 2
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|