Пуазейль, исследуя ламинарное течение жидкости по капиллярным трубкам, получил следующую формулу для 
- объема жидкости, протекшей через капилляр за время 
:
Поиск:
Рекомендуем:
Почему я выбрал профессую экономиста
Почему одни успешнее, чем другие
Периферийные устройства ЭВМ
Нейроглия (или проще глия, глиальные клетки)
Категории:
Астрономия
Биология
География
Другие языки
Интернет
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Механика
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Транспорт
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология
Экономика
Электроника
Определение зависимости коэффициента вязкости жидкости от температуры посредством капиллярного вискозиметра.
|
|
|
|
(1)
Уравнение (1) связывает dP – изменение давления и dT – изменение тепературы с 
- удельной теплотой перехода из одног агрегатного состояния в другое. Применим уравнение (1) к переходу жидкость-газ. Объём газа с некоторым приближением можно взять из уравнения Клапейрона-Менделеева:
.
Тогда получим другой вид уравнения (1):
,
где h - коэффициент вязкости,
- давление, под которым течет жидкость,
r - радиус капилляра,
l - длина капилляра.
Формулой Пуазейля можно воспользоваться для определения коэффициента вязкости.
Пусть через капилляр протекают одинаковые объемы двух различных жидкостей. Для первой
, (1)
для второй
. (2)
Разделив (1) на (2), получим:
. (3)
Если жидкость вытекает под действием своего веса, то
(4)
так как
и
,
где 
- высота столбов жидкости, создающая разность давлений при течении первой и второй жидкости.
Описание установки
Вискозиметр состоит из резервуара для испытуемой жидкости - 1, водяного термостата 2. На внутренней стенке резервуара 1 укреплены три штифта - 3. Штифты заострены и изогнуты под прямым углом. Острия штифтов служат указателем предельного уровня жидкости, наливаемой в резервуар и указателем горизонтальности установки прибора. Ко дну резервуара, в его центре, припаяна калиброванная сточная трубка 4 из нержавеющей стали с тщательно отполированной поверхностью - капилляр. Резервуар 1 закрывается пустотелой крышкой 5 с двумя сквозными отверстиями. Отверстие 6 служит для установки термометра, измеряющего температуру исследуемой жидкости. Отверстие 7-для стержня, закрывающего отверстие сточной трубки.
Резервуар 1 укрепляется в термостате специальными распорками. В термостате находится мешалка 8 и зажим 9 для закрепления термометра, измеряющего температуру воды термостата.
Термостат 2 с резервуаром 1 устанавливается на металлическую треногу 10. Две ножки треноги снабжены
Разность отсчетов даст объем воздуха V, вытесненного из К. Этот воздух, попав в бюретку, охладился до комнатной температуры, которую отмечают по термометру. Так как пары жидкости в колбе не насыщают пространства, (это определяется количеством вещества, набранного в ампулу), можно считать, что объемы, занимаемые паром и вытесненным им воздухом, равны, поэтому, будем ли мы в вычислениях пользоваться объемом воздуха или пара, результат получится одинаковый. Так как мы берем плотность воздуха при нормальных условиях, то и найденный объем пара надо привести к тем же условиям
.
Давление воздуха в бюретке определяют следующим образом. В бюретке над водой полное давление слагается из давления насыщенного пара воды 
и давления воздуха Р. Сумма этих давлений равна атмосферному, так как уровни воды в В и С одинаковы. Таким образом, обозначив атмосферное давление через Н, имеем:
.
Атмосферное давление измеряют с помощью барометра, а 
.
. Когда в стаканчике будет приблизительно 50-70 
воды, его убирают, секундомер останавливают и замечают новый уровень воды в сосуде 
. По весу воды в стаканчике находят объем воздуха, вошедшего через капилляр в сосуд, то есть V.
Давление, под которым втекает воздух в сосуд, будет
По полученным данным находят h. Затем, измерив комнатную температуру и барометрическое давление воздуха, определяют 
и r и находят 
, а затем уже s. Такой же опыт проделывают при температуре паров кипящей воды, пропуская через цилиндр C пар от кипятильника.
Измерение начинают через несколько минут после того, как пар начал выходить из оливки.
Определение молекулярного веса легко испаряющейся жидкости.
Из кинетической теории газов следует, что молекулярные массы газов пропорциональны их плотностям. Отсюда, зная молекулярную массу одного из газов, например воздуха, и определив экспериментально плотность другого газа, можно найти его молекулярный вес
.
В работе проводится определение молекулярной массы какой-либо легко испаряющейся жидкости. Плотность паров жидкости можно найти, зная предварительно массу,
- время истечения жидкости с точностью до 0,2 сек.
Относительную вязкость 
испытуемой жидкости вычисляют по формуле
,
где 
- время вытекания через сточную трубу прибора 200 мл. дистиллированной воды при 20°С.
У данного вискозиметра 
сек.
Измерения производятся в интервале от комнатной температуры до 
приблизительно через каждые 
.
Вычисляютзначение
и строят график зависимости 
.
Определение зависимости коэффициента вязкости от температуры вискозиметром
Оствальда.
Капиллярный вискозиметр Оствальда представляет собой U -образную трубку АВDЕ (cм. рисунок). Широкое колено трубки -АВ внизу расширено. Другое колено состоитиз капилляра с расширением D вверху, переходящего в трубку Е. Метки a и b ограничивают определенный объем жидкости. Для заполнения жидкостью колена ED трубка Е соединена с аспиратором F.
Прибор заполнен испытуемой жидкостью и погружен в водяной термостат так, чтобы уровень воды в термостате был выше метки a. В аспиратор наливают воду до отростка, переходящего в трубку Е. Если открыть N -кран аспиратора, то давление в нем уменьшится и испытуемая жидкость поднимается в расширение D. Кран закрывают, когда жидкость поднимется немного выше метки a. Если теперь открыть зажим К аспиратора, жидкость станет перетекать из D в B через капилляр.
Измеряют 
берут из таблиц. Опыт повторяют в интервале температур от комнатной до 
через каждые 
Если открыть кран L, то водабудет выливаться из сосуда, а через капилляр воздух будет засасываться в него. При этом следует иметь в виду, что правильные результаты опыта будут в том случае, если истечение воды определяется диаметром капилляра K, а не отверстием крана L.
Для определения коэффициента вязкости нужно знать 
Радиус капилляра r измеряют на отрезанном от него кусочке микроскопом. Измерения следует производить несколько раз в разных направлениях, после чего вычисляют среднее значение. Давление 
находят таким образом. Если открыть кран L, то сначала вода из него выливается непрерывной струйкой благодаря некоторому избыточному давлению над поверхностью воды в сосуде, но скоро она
, (1)
где 
- радиус капилляра,
- его длина,
(2)
где r - плотность газа,
. (3)
Если известна температура газа, при которой определялся коэффициент внутреннего трения h, то средняя скорость газовых молекул 
, (4)
где R - универсальная газовая постоянная,
Т - абсолютная температура газа,
m - молекулярный вес.
Плотность r газа берется при тех условиях (давлении и температуре), при которых определялось 
, и определяется из уравнения Клапейрона:
. (5)
И из формулы (3) можно найти длину свободного пробега.
Известное соотношение
(6)
позволяет найти эффективный диаметр молекул газа, если известно 
,
где 
- число молекул в 1 
.
Выполнение работы.
Сосуд A (см. рис.) с краном в нижней части наполнен водой так, чтобы уровень воды не выходил за пределы шкалы S, укрепленной на сосуде. Капилляр K находится в
(3)
и
, (4)
которые легко получить интегрированием формулы (1), если произвести её нормировку и переписать в виде
, (5)
где
- общее число зерен, подвергавшихся испытанию;
- число зерен, радиальные отклонения которых лежат в интервале (z,z+dz);
- число зерен, отклонения которых лежат в интервале (
).
Описание установки
рис.4
Основной частью установки является стопка 1, составленная из 22 сеток (сит), расположенных друг над другом. Точки пересечения нитей каждой из сеток находятся над центрами квадратных ячеек её нижнего или верхнего соседа. Параметр ячеек равен 7 мм. Сквозь эту стопку че
(5)
где V – объем воды, вытекший за время 
- ее плотность.
4. После установки стационарного режима, которому соответствует неизменность показаний термометров Т1, Т2, Т3 и Т4, производится измерение температур t1 и t2 в сосуде 7 и на выходе холодильника 3, а также температур t3 и t4 в гнездах термометров T3 и Т4. Две последние величины определяют градиент температуры вдоль стержня:
(6)
где l – расстояние между точками на стержне, в которых измеряются температуры t3 и t4.
На основании формул (3) – (6) вычисляется коэффициент теплопроводности k:
(7)
Определение коэффициента Пуассона по методу Клемана и Дезорма.
Молярной теплоемкостью вещества называется энергия, необходимая для нагревания 1 моля на один градус.
Величина теплоемкости газа зависит от способа его нагревания. Как известно из термодинамики, Cv - молярная теплоемкость идеального газа при постоянном объеме и Cp – при постоянном давлении соответственно равны:
рис.
Проточная вода поступает в холодильник 3, омывает один из концов стержня и выходит через трубку с краном 6, в которой имеется гнездо для термометра Т2. С помощью крана 6 регулируется расход воды.
Вода поступает в холодильник из сосуда 7, в котором имеется отвод для поддержания в нем постоянства уровня воды. Сосуд 7 сверху открыт и в него вводится трубка, через которую из водопровода поступает вода, и термометр Т1, предназначенный для измерения начальной температуры проточной воды.
Выполнение работы
1. Штангенциркулем измеряется расстояние L между средними линиями термометров T3 и T4. Зная диаметр D стержня 4, вычисляем площадь сечения S:
(4)
2. Включается нагреватель 1, при помощи автотрансформатора устанавливаем на нем 120 в, через холодильник 3 пропускается вода.
При помощи крана 6 устанавливается определенный расход воды в холодильнике, который измеряется при помощи секундомера и мензурки. Масса m воды, протека
зерен, рассеянных в углу, равном 45° в интервалах (0,2), (2,4),…,(12,14); границы интервалов даны в сантиметрах.
4. Опыт проводится не менее трех раз. Полученные данные записываются в таблицу.
Обработка результатов измерений
1. Так как данный приемник составляет примерно 1/8 часть цилиндрического приемника, который мы не берем, то необходимо массу зерен в каждом отделении приемника умножить на 8. По полученным данным строится гистограмма (M,Z), подобная которой показана на рис. 5.
(2)
где m - масса воды, протекающей за единицу времени, c – ее удельная теплоемкость, t2 – температура, до которой нагревается вода, проходящая мимо охлаждаемого конца образца.
Пренебрегая утечкой тепла через боковую поверхность и, приравнивая друг другу правые части формул (1) и (2), получаем следующее выражение для коэффициента теплопроводности:
(3)
Примечание.
Разность температур t1-t2 и t3-t4 удобно измерять двумя дифференциальными термопарами медь-константан, в цепь которых включены для измерения термоэлектродвижущей силы Е1 и Е2 одинаковые гальванометры. В этом случае E1=k(t2-t1) и E2=k(t4-t3), где k – один и тот же коэффициент пропорциональности, а Е1 и Е2 – показания гальванометров.
Таким образом, в формуле (7) отношение разностей температур равно:
Описание установки
Исследуемый образец представляет собой изготовленный из красной меди цилиндрический стержень 4, имеющий диаметр сечения 
мм. Один из торцов образца помещен в печь 1. Второй его торец введен в стеклянный холодильник 3. Теплоизоляция стержня осуществляется слоем асбеста толщиной ~10 мм, на который надета трубка 2. В стержне высверлены два гнезда, в которые сквозь теп
Рис. 5
2. Определить числа 
и т.д.) Так как отношение 
равно величине 
, то формула (4) переписывается в виде:
По этой формуле вычисляют значения 
, соответствующие каждому из полученных значений 
3. Затем вычисляется среднее значение и среднее отклонение
.
4. Если закон распределения (5), согласно которому 
, действительно применим к реально протекающему процессу рассеяния, то средний разброс 
должен быть меньше средней экспериментальной погрешности 
в округлении величины 
и 
и сравниваются между собой.
