Вязкость жидкостей и газов

Вязкость жидкостей. Вязкость является одним из важнейших свойств, характерных только для жидкостей, и которое во многом определяет поведение реальных жидкостей при их движении.

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу ее частиц или слоев друг относительно друга, проявляющееся в давлении внутреннего трения.

Влияние вязкости на характер течения отражается двумя постулатами, основанными на всесторонних экспериментальных исследованиях - гипотезе “прилипания” и законе внутреннего трения Ньютона.

Гипотеза “прилипания ”заключается в том, что частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердому телу, абсорбируются им, как бы прилипают к его поверхности, т.е. их скорость равна скорости твердого тела. В соответствии с этой гипотезой скорость жидкости на неподвижной твердой поверхности всегда равна нулю (рис. 1.)

Рис. 1. Распределение скорости движущейся жидкости по сечению

 

 

Между соприкасающимися частицами или слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, всегда возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности соприкосновения и противодействующие смещению этих частиц друг относительно друга.

В математической формулировке закон Ньютона имеет вид:

 

(6)

где - удельная сила трения, приходящуюся на единицу поверхности соприкасающихся слоев, называемая касательным напряжением, ,

- динамическая вязкость, ;

- изменение расстояния вдоль нормали между двумя бесконечно близкими слоями.

Сила вязкости может быть найдена по соответствующему уравнению

Стокса:

,

где - площадь поперечного сечения.

 

В механике жидкости наряду с динамическим коэффициентом вязкости широко используется другой физический параметр, характеризующий вязкость жидкости - кинематический коэффициент вязкости.

Кинематический коэффициент вязкости определяется как величина равная отношению коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости :

(7)

где - вязкость жидкости,

Вязкость жидкостей зависит от температуры и давления. В специальной литературе широко приводятся экспериментальные, аналитические формулы, графики и таблицы, отражающие зависимость коэффициентов вязкости от температуры и давления.

Зависимости коэффициентов вязкости от давления и температуры различны для капельных жидкостей и газов:

1. У капельных жидкостей вязкость практически не зависит от давления, но значительно уменьшается при повышении температуры, так как часть энергии идет на разрыв молекулярных связей жидкости.

2. Вязкость газов, в отличие от капельных жидкостей, существенно возрастает с увеличением температуры, так как увеличивается кинетическая энергия молекул газа.

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

1.Работа, связанная с определением коэффициента температурного расширения выполняется на установке, схема которой представлена на рис.2.

Установка состоит из: сосуда 1; мерной трубки 3 для сбора расширенной во время нагревания жидкости; термометра 2; трубки 6 с воронкой 5, которая служит расширительным сосудом; электроплитки 7.

 

Рис. 2.Установка для определения теплового расширения жидкости

 

2. Для определения плотности исследуемых жидкостей используется ареометр. Ареометр представляет собой удлиненную пустотелую стеклянную трубку (рис.3.),в верхней части которой имеется шкала плотности жидкости. В нижней широкой части ареометра расположена шкала температуры жидкости. Помещенный в сосуд с жидкостью ареометр плавает в вертикальном положении, благодаря грузу в его нижней части. Деление на ареометрической шкале, до которого погружается ареометр, соответствует значению плотности жидкости.

 

 

Рис 3. Ареометр

3. Определение вязкости воды проводится методом Стокса, для чего в мерный цилиндр плавно опускается шарик, заданного диаметра и плотности По секундомеру засекается скорость опускания шарика в жидкости. На шарик действует сила тяжести , а также сила Архимеда и сила Стокса, зависящая от коэффициента динамической вязкости. , т.к.

, откуда

(8)

Кинематическая вязкость находится по формуле:

,

где - плотность материала шарика, - плотность воды при данной температуре.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Ознакомиться с установкой и ареометром.

2. Подготовить журнал по форме (см. журнал наблюдений).

3. Для выполнения работы необходимо при открытом кране 4 заполнить сосуд водой до нулевого деления мерной трубки, затем закрыть кран и измерить температуру воды. Объем воды, налитой в сосуд, следует определить предварительно по мерной колбе. Электроплитка должна включаться в электрическую сеть через автотрансформатор, позволяющий регулировать напряжение, а следовательно, и степень интенсивности нагрева воды.

Отсчёты по шкале мерной трубки, показывающей дополнительный объем воды, полученной в результате нагревания жидкости.

4. Погрузить анемометр в сосуды с жидкостями для определения ее плотности.

5.Определить вязкость воды методом Стокса.

 

ОБРАБОТКА ОПЫТНЫХ ДАННЫХ