Теория вопроса и метод выполнения работы. Определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром

Лабораторная работа №3

Определение вязкости жидкости капиллярным вискозиметром

Цель работы: ознакомиться с работой капиллярного вискозиметра, и определить вязкость жидкости.

Оборудование: вискозиметр, термометр, секундомер, резиновая груша, сосуд с водой, сосуд с исследуемой жидкостью, стакан лабораторный.

Теория вопроса и метод выполнения работы

При ламинарном движении жидкости между двумя параллельными соприкасающимися слоями, которые двигаются с разными скоростями, возникает сила внутреннего трения. Величина этой силы может быть определена по формуле:

, (1)

где – площадь соприкасающихся слоев, – градиент скорости, а – коэффициент внутреннего трения жидкости. На основании формулы Ньютона (1) легко показать, что коэффициент внутреннего трения численно равен силе внутреннего трения, возникающей при ламинарном течении между двумя слоями жидкости при площади соприкосновения, равной единице, и при градиенте скорости, также равном единице. Коэффициент внутреннего трения в системе СИ измеряется в Н∙с/м², а в системе CГC в дин∙с/см². Единица коэффициента внутреннего трения в системе СГС называется Пуаз. На практике часто употребляется единица в сто раз меньшая – сантипуаз. Вязкость около одного сантипуаза имеет вода при 20 ºС.

Для измерения коэффициента внутреннего трения не очень вязких жидкостей широко применяются капиллярные вискозиметры. В клиниках для определения коэффициента вязкости крови применяется вискозиметр ВК-4.

В основе этого метода лежит формула Пуазейля, имеющая вид:

, (2)

где – объем жидкости, протекающей по узкой трубке за время , – радиус трубки, – длина трубки, – разность давлений на концах трубки, – время протекания жидкости, – коэффициент вязкости жидкости.

Для определения коэффициента вязкости какой-либо жидкости с помощью формулы Пуазейля обычно делают два измерения. Измеряют время протекания какого-то объема исследуемой жидкости и время протекания такого же объема жидкости, коэффициент вязкости которой хорошо известен, например, дистиллированнойводы.

В этом случае уравнение (2) для эталонной жидкости будет иметь вид:

, (3)

а для исследуемой жидкости:

. (4)

Приравняв правые части уравнений (3) и (4) и, сократив , и , получим следующую формулу:

. (5)

Величина в вискозиметре зависит от разности уровней жидкости в коленах вискозиметра:

, (6)

где – плотность жидкости, a – разность уровней жидкости в коленах вискозиметра. При одинаковых разностях уровней исследуемой и эталонной жидкостей, отношение давлений равно отношению плотностей этих жидкостей.

Величина уменьшается по мере вытекания жидкости, но отношение разностей давлений при равных условиях остается постоянным. Поэтому формулу (5) можно написать следующим образом:

. (7)

Приборы и оборудование

Вискозиметр капиллярный стеклянный типа ВПЖ-1 (рис. 1) с висячим уровнем (5) состоит из измерительного резервуара (4), ограниченного двумя кольцевыми отметками и ; резервуар переходит в капилляр (5) и резервуар (6), который соединен с изогнутой трубкой (3) и трубкой (1).

Трубка (1) имеет резервуар (7) с двумя отметками и , указывающими пределы наполнения вискозиметра жидкостью. Жидкость из резервуара (4) по капилляру (5) стекает в резервуар (6) по стенкам последнего, образуя у нижнего конца капилляра «висячий уровень».

Измерение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара.

Перед определением вязкости жидкости вискозиметр должен быть тщательно промыт и высушен.

Испытуемая жидкость заливается в чистый вискозиметр через трубку (1) так, чтобы уровень ее установился между отметками и . На конец трубки (3) надевают резиновую трубку снабженную краном.

Рис. 1. Капиллярный вискозиметр ВПЖ-1

 

При закрытом кране на трубке (3) закачивают жидкость резервуара (7) при помощи резиновой груши. Плотно вставив резиновую грушу в отверстие трубки (1) создают давление воздуха и ждут когда уровень исследуемой жидкости поднимется выше отметки примерно до половины резервуара (8). Затем вынимают грушу и открывают клапан на трубке (3). Вынув грушу из трубки (1) и открыв кран на трубке (3) приступают к измерениям. С помощью секундомера засекают время прохождения жидкости между отметками и .

Порядок выполнения работы

1. Мерным стаканчиком залейте в вискозиметр указанное количество эталонной жидкости (дистиллированной воды) через трубку (1) так, чтобы уровень ее установился между отметками и (см. рис. 1).

2. Закройте кран трубки (3). С помощью груши поднимите жидкость выше отметки примерно до половины резервуара (8).

3. Откройте клапан на трубке (3) и с помощью секундомера найдите – время протекания объема воды, находящегося между метками и . Повторите опыт 2 раза.

4. Залейте другую жидкость (например, этиловый спирт) в вискозиметр и повторите пп. 1-3.

5. Для комнатной температуры найдите в таблице 2 коэффициент вязкости воды , а плотность воды и исследуемой жидкости найдите в таблице физических величин. Найденные значения занесите в таблицу 1.

6. По формуле (7) рассчитайте коэффициент вязкости исследуемой жидкости для каждого измерения и найдите его среднее значение для трех измерений.

7. Результаты опытов занесите в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	, с	, с	, г/см3	, г/см3	, Пуаз	, Пуаз	, Пуаз	, Пуаз	, Пуаз	, %
1.
2.
3.

Таблица 2. Коэффициент вязкости воды при различных температурах

, ºС	, сПуаз	, ºС	, сПуаз	, ºС	, сПуаз
	1,31		1,08		0,91
	1,27		1,06		0,89
	1,24		1,03		0,87
	1,20		1,005		0,85
	1,17		0,98		0,84
	1,14		0,96		0,82
	1,11		0,94		0,80

Контрольные вопросы

1. Напишите формулу Ньютона и объясните физический смысл входящих в нее величин?

2. Какие жидкости называются ньютоновскими? От чего зависит их коэффициент вязкости?

3. Какие жидкости называются неньютоновскими? От чего зависит их коэффициент вязкости?

4. Какие методы применяются для определения вязкости жидкости?

5. Опишите устройство и принцип работы капиллярного вискозиметра ВПЖ-1.

6. Напишите формулу Пуазейля, объясните физический смысл входящих в нее величин.

7. Расскажите о реологических свойствах крови и других биологических жидкостей, о применении реологических методов исследования в медицине.