13 A vízviszkozitás hőmérséklet függése
Laboratóriumi munka № 13
A hőmérséklet-függősége víz viszkozitása segítségével kapilláris viszkoziméterrel
A viszkozitás vagy a belső súrlódás a mozgó folyadék vagy gáz rétegei közötti súrlódási erő megjelenésének jelensége, az áramlás irányával párhuzamosan. A súrlódás a molekuláris impulzusnak a rétegtől a réteg irányába merőleges irányban történő átviteléből adódik.
A folyadék viszkozitása befolyásolja a folyadék bármilyen mozgását. Ezért a viszkozitás ismerete sok gyakorlati helyzetben szükséges: víz-, gáz- és olajvezetékek tervezésénél; amikor tanulmányozza a vér és egyéb folyadékok mozgását a szervezetben stb. Ezért a viszkozitás és a hőmérséklettől való függés mérésére számos módszert fejlesztettek ki.
A folyadékok viszkozitása jelentősen eltér a gázok viszkozitásától, azaz ezek sokkal nagyobb nagyságrendű és rohamosan csökken a hőmérséklet növelésével (szemben a gázok, ahol a viszkozitás növekszik a hőmérséklet növekedésével). Ez annak köszönhető, hogy a nyilvánvaló hatása a mezők interakció erők közötti sűrűn molekulák folyékony állapotban az átadása lendület egyes ütközések molekulák mozgó véletlenszerűen rétegek között különböző sebességekkel. A folyadékok sűrűsége olyan, hogy az átlagos intermolekuláris távolság nem nagyon különbözik az ilyen erőterek tényleges tartományától.
Ennek a tanulmánynak a célja a víz viszkozitásának hőmérsékleten való függése.
1. A viszkozitás mérésének módja kapilláris viszkoziméterrel
A csőben lévő folyadékáramlással a cső falához közeli folyadékréteg tapad, és ennek sebessége nulla. A következő réteg mozog, de a molekulák kaotikus mozdulata miatt egyesek az első rétegbe esnek, és lassan ütköznek az ütközésekben. A harmadik réteg átadja az impulzust a második rétegnek stb. Ennek eredményeképpen a folyadéknak a cső tengelyével szomszédos része a leggyorsabb sebességgel, és az összes többi réteg sebessége csökken a tengelytől a falig. Mivel a lendület változása egységnyi idő alatt megegyezik az erővel, ez a belső súrlódás erő megjelenéséhez vezet. Ezt a Newton által javasolt képlet fejezi ki,
Így, ismerve a lejárati időt folyadékok t 0 és t 1, és a sűrűség ρ 0 és ρ 1. meg tudja határozni a relatív belső súrlódási együttható η 1 / η 0. 0. és tudván η lehet számítani, és az abszolút értéke η 1.
Ebben a cikkben javasoljuk a különböző hőmérsékleteken a desztillált víz viszkozitási együtthatóinak meghatározását; A desztillált víz viszkozitása meghatározott hőmérsékleten (például T = 30 0 C) feltételezhetően ismert η0 érték (η 0 a papírhoz csatolt táblázatból származik).
A hőmérsékleti folyadék viszkozitásának megváltozásának okai a folyadék molekuláinak termikus mozgásának természetében rejlenek. A folyadék molekulái az idő egyensúlyi pozíciói közelében oszcillálnak, átlagban az τ időn át. Minél kevésbé a molekulák megváltoztatják az egyensúlyi helyzetüket, annál kevésbé folyékony és viszkózusabb a folyadék. Így kiderül, hogy a folyadék viszkozitási együtthatója közvetlenül arányos a τ-vel. De a τ idő attól függ, hogy a hőmérséklet megközelítőleg exponenciális.
ahol τ 0 a molekula oszcillációjának periódusa az egyensúlyi pozíció közelében; k a Boltzmann konstans; E - a szükséges energiát, hogy távolítsa el a molekula egyensúlyi helyzetébe, hogy azt, hogy magára maradt, még nem tért vissza az eredeti egyensúlyi helyzet, és arra irányul, hogy egy új egyensúlyi helyzet. Az E-t egy molekula egy egyensúlyi helyzetből a másikba történő átvitelének "aktivációs energiájaként" nevezik.
Figyelembe véve az τ és az η közötti arányos összefüggést. írható
ahol A egy olyan tényező, amely függ a folyadék fajtájától, és nagyon kevés a hőmérséklet függvényében. Az (1.15) képletet Andrade-Frenkel-egyenletnek nevezzük. Jó egyetértés a kísérleti adatokkal.
2. A kísérleti beállítás leírása
A desztillált víz viszkozitási együtthatójának hőmérséklettől való függését ebben a munkában egy olyan berendezésen végezzük, amelynek vázlatos rajza az 1. ábrán látható.
1. ábra. A létesítmény szaggatott diagramja és képe a viszkozitási együttható hőmérsékleti függőségének vizsgálatához:
1 - termosztát; 2 - a termosztát keringtető szivattyúja; 3 érintkezőes hőmérő; 4 - a termosztát folyadékfűtő szabályozója; 5 - viszkoziméter; 6 - a vizsgálandó folyadéknak a viszkoziméterre történő bejuttatására szolgáló fecskendő; 7 - cirkulációs áramkör a hőmérséklet változtatására a viszkoziméterben; 8 - hőmérő; 9 - stopper, 10 érintés; 11 - hajó a vizsgálandó folyadékkal
Az installáció egy termosztáttal, amelyben egy keringető szivattyú, valamint egy kontakthőmérő vezérlő képes fenntartani az előre meghatározott hőmérséklet a folyadékkal (a jelen munka - víz) nagy pontossággal (0,2 K). A hőmérő által szabályozott viszkoziméter hőmérsékletének fenntartása érdekében a keringési áramkör szolgál. A vizsgált folyadéknak a viszkoziméterbe történő befecskendezését fecskendővel végezzük, és a folyadéknak a jelek közötti áramlási idejét egy stopperórával mérjük.
A kapillárisüveg viszkoziméter (2. ábra) egy 1 kapilláriscső egy 2 mérőedényrel, amelyet két M1 és M2 jelzés határol. A kapilláriscsövet forrasztják egy viszkoziméter 3 burkolatának belsejében, amelynek két, a keringő folyadék számára négy és 5 nyílása van.
A viszkozitásmérés viszkoziméter segítségével a folyadék mennyiségének meghatározásán alapul, amely a mérőtartály bizonyos mennyiségű folyadékának kapillárisjáról határozható meg. Ebben a vizsgálatban mértük a viszkozitását desztillált vízzel különböző hőmérsékleteken szobahőmérséklet és 80-90 0 C. A víz viszkozitása szobahőmérsékleten tartják, hogy ismert, és hogy összehasonlítjuk a viszkozitása az azonos víz más hőmérsékleteken. Következésképpen az (1.13) képletben az η 0 viszkozitás, ez a víz viszkozitása szobahőmérsékleten (értéke az asztaltól, ahol ρ 0 és ρ 1 is).
A vizsgált folyadékot a 11 edényből (lásd az 1. ábrát) egy fecskendővel viszik fel a viszkoziméterbe a 2. ábrán látható "H" szintre. 2. Ugyanakkor a 10 szelepet le kell zárni. Miután megvilágító eszköz egy előre meghatározott hőmérsékleten, termosztáttal szabályozott hőmérővel 8 (lásd. 1. ábra) egy bizonyos ideig, nyissa a 10 szelep, és az áramlás mért idő stopperóra folyadékot védjegyek között M1 és M2.
Először, ilyen kísérletet végeznek szobahőmérsékleten vagy közel hozzá. Ez a legjobb, ha a hőmérséklet a 30 0 C-on Ezt úgy mérjük, a hőmérő 8, és kap egy kontakthőmérő szabályozó termosztátot a 3. és 4. Ezután 5-6-szor által meghatározott lejárati folyadék védjegyek között M1 és M2 az átlagos és a hiba meghatározásában az átlagos. Ez az idő t 0 az (1.13) képletben. Akkor tapasztalja meg
A gyökér-négyzet-négyzet eltérést és a véletlenszerű hibát a lejárati idő mérésénél a képletek határozzák meg
ahol Δη 0. Δρ 0. Δρ 1 meghatározza a kisülési fele (ha a hiba nem megadva a táblázatokban) elfoglalt az utolsó jelentős alakja az η 0. ρ 0. ρ 1, illetve (például, ρ 1 = 0,9988 g / cm 3 lehet vegyünk be Δρ 1 = 0,0005 g / cm3).
3. A kísérlet technikája
P o d h o r t o n t h o s
A munka leírásának megismerése, utasítások végrehajtása és laboratóriumi telepítés.
Figyelem! A termosztátot és a stopperórát 220 V-os táplálással üzemelteti, óvatosan járjon el!
1. Forgassa el a termosztátgombot az óramutató járásával megegyező irányba, amíg kattan, majd kapcsolja be úgy, hogy a kontakt hőmérő hőmérsékletét 30 ° C-ra állítja.
2. Öblítse ki a viszkozimétert desztillált vízzel. Ehhez 5-6-szor lépjen be egy viszkoziméterbe, és szorítsa ki a fecskendőt vízzel (a csaptelep 10 zárva van). Ne engedje, hogy a víz belépjen a fecskendőbe.
3. A 10 csaptelep zárva, fecskendővizet viszünk fel a viszkoziméterre a "H" szintre (lásd 2. ábra), tartsuk a vízszintet ezen a szinten 3-5 percig a kezdeti hőmérsékleten T = 30 0 С
4. végre stopperóra 5-6 mérések víz áramlási időt védjegyek között az M1 és M2 a T = 30 0 C-on a lejártakor a viszkoziméter víz 10 szelepet kinyitjuk.
5. A kontakt hőmérő és a termosztát szabályozó segítségével a folyadék hőmérsékletét a termosztátban 10 0 C-kal emelje a kezdeti hőmérséklet felett. Hőmérséklet szabályozása a 8 hőmérővel (1.
6. A viszkoziméterben lévő folyadékot ezen a hőmérsékleten 3-5 percig ellenállni és meghatározni a szivárgás idejét. 7. Ismételje meg ezt a mérést 10 0 C-ig, amíg a hőmérséklet T = (80 ÷ 90) 0 C.
8. Az (1.13) képletből kiszámolja a vízviszkozitás együtthatóját különböző hőmérsékleteken. Jegyezze fel a mérési eredményeket a táblázatban.
9. A (2.1) és a (2.2) képlet segítségével határozzuk meg a viszkozitási együttható mérési hibáit T = 60 ° C-on.
10. Ln (η) függvény grafikonját az 1 / T reciprokhõmérsékleten kell megrajzolni. A lejtő lejtőjétől az (1.15) képlet szerint határozzuk meg az E-t. A legjobb, ha ezt a számítógépet a legkisebb négyzetek teszik.
11. A kísérlethez és a táblázatos adatokhoz hozzon létre egy η és a hőmérséklet közötti diagramot. A laboratóriumi eredmények összehasonlítása táblázat szerint.
12. Fogadjon következtetéseket.
4. Vizsgálja meg a kérdéseket
1. Mi a viszkozitás? Milyen a viszkozitás a hőmérséklet függvénye?
2. Folyamatosan függ a folyadék és a gáz hőmérsékletének viszkozitása?
3. Mi az "aktiváló energia" fizikai jelentése?
4. Milyen feltételek mellett érvényes a Poiseuille-törvény? Lamináris és turbulens áramlások.
5. Hogyan lehet kísérletileg tesztelni a Poiseuille-formulát?
1. Kikoin A.K. Kikoin I.K. Molekuláris fizika. M. Nauka, 1976.
2. Vargaftik NB Gázok és folyadékok termofizikai tulajdonságainak kézikönyve. M. Nauka, 1972.