Формулы для расчета и расчет погрешности измерения вязкости жидкости1:
Вывод: ……………………………………………………………………………………………..
Дополнительное задание:
Используя полученные значения вязкости, рассчитайте, а затем проверьте экспериментально скорость установившегося движения контрольного тела, выданного вам преподавателем.
Размеры, форма и масса тела:
Материал - Форма -
Диаметр - Масса -
Формула и расчёт скорости движения шарика:
Экспериментальные данные о движении шарика:
Длина пути
Время движения
Скорость движения
Вывод по итогам выполнения задания:
Цель работы
Углубить теоретические представления о механизмах возникновения, о величине внутреннего трения в газах, о её связи с микрокинетическими параметрами газа. Освоить методы измерения вязкости газов.
1. Теоретическая часть
Вязкость газов, в отличие от жидкостей, увеличивается при повышении температуры. Различный характер зави-симости вязкости газов и жидкостей от температуры указывает на различный механизм их возникновения, хотя формула Ньютона - -одинаково справедлива и для обоих этих состояний.
Рассмотрим, как возникает внутреннее трение в газах. В отличие от жидкостей здесь силы внутреннего трения возникают в результате микрофизического процесса передачи импульса от одного слоя газа к другому. Переносчиками импульса выступают молекулы газа.
Выделим в движущемся потоке газа вдоль вектора скорости два параллельных соприка-сающихся слоя. Пусть скорости v их движения по величине и направлению тако-вы, как показано на рисунке. В тепловом движении импульсы р молекул и их проекции рx в рассмат-риваемых слоях неодинаковы. Молекулы, находящиеся в более медленном, «нижнем» слое, имеют меньшую составляющую импульса рx и, по-пав в «верхний» слой, затормаживают его. Дрх - изменение импульса - направлено навстречу движению этого слоя. «Верхние» же молекулы, наоборот, перено-сят вниз импульс больший, чем имеют молекулы «нижнего» слоя, и поэтому ускоряет нижний слой.
По второму закону Ньютона Дрх/Дt=F - сила сопротивления движению. Она зависит от массы молекул, их концентрации (частота переноса импульсов) и температуры (скорость молекул). Таким образом, вязкость газов тем больше, чем больше их молекулярная масса. Она увеличивается также с повышением давления, поскольку при этом растёт концентрация газа. Отсюда также становится понятным, что чем выше температура газа, тем больше скорость теплового движения и интенсивней обмен молекулами ме-жду его слоями, а, следовательно, тем больше коэффициент вязкости этого газа.
2. Определение вязкости воздуха по методу Пуазейля
2.1. Теория метода
При ламинарном движении жидкостей и газов по гладким цилиндрическим трубам расход Q (объем жидкости или газа, протекающих через поперечное сечение трубы за время t), зависит от ее вязкости, диаметра трубы, ее длины и разности давления на ее концах. Соответствующее соотношение было выведено Пуазейлем и носит его имя.
Q=pr4t/8l , (1)
В нее входят перепад давления p на концах трубы, её радиус r , длительность течения t, коэффициент вязкости , длина трубы l.
На основании этого соотношения разработан и широко применяется метод измерения вязкости жидкостей и газов - метод Пуазейля. При турбулентном течении жидкости в трубах любого сечения скорость потока, как и расход жидкости, пропорциональны не первой степени, а корню квадратному из перепада давления.
Для газов метод предполагает измерение расхода газа при его ламинарном протекании по гладкому, тонкому, капиллярному каналу с известными размерами и при контролируемой разности давлений. В данной работе по методу Пуазейля определяется вязкость неосушенного и неочищенного воздуха. Хотя известно, что эти параметры оказывают большое влияние на величину вязкости газов. В установках для точных измерений воздух перед поступлением в капилляр осушают различными, чаще всего химическими осушителями. Важно также помнить, что вязкость газов в большой степени зависит от их температуры, что также предусмотрено в лабораторных приборах.
2.2. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка для определения воздуха (рис. 2) состоит из сосуда - 1 со сливным шлангом - 2, капилляра -3, мерительного стакана -4 и жидкостного манометра - 5. Перед опытом сосуд заполняется водой. При опущенном шланге 2 вода из сосуда вытекает и давление становится ниже атмосферного. Так создается перепад давлений воздуха на концах А и В капилляра 3. Он измеряется манометром 5. Этот перепад давлений создает поток воздуха через капилляр, при этом объем вытекшей воды равен объему воздуха, прошедшего через капилляр.
Расчетная формула для определения коэффици-ента вязкости по методу Пуазейля имеет вид:
=pr4t/8lQ , (2)
где - r радиус капилляра, l - его длина, Q- объем прошедшего через капилляр воздуха (равен объему вы-текшей из сосуда жидкости), р - перепад давле-ний на концах капилляра (показание манометра), t - время протекания воздуха через капилляр.
Ход выполнения работы
1. Закрепите сливной шланг в верхнем по-ложении. Заполните сосуд 7 водой и плотно закрепите пробку с капилляром в его горловине.
2. Опустите сливной шланг вниз, подставив под него мерный сосуд. Измерьте секундомером время t, в течение которого из сосуда вытечет объем Q=200 см3 воды.
3. Измерьте в это же времени перепад давлений р по манометру.
Примечание: При постепенном понижении уровня воды в сосуде скорость истечения уменьшается. Это приводит к изменению перепада давлений воздуха на концах капил-ляра. Поэтому необходимо брать среднее за время опыта значение р.
4. По формуле (2) вычислите вязкость воздуха.
5. Опыт повторите не менее пяти раз. Результаты занесите в таблицу 2 отчета.
6. Оцените относительную погрешность измерения вязкости воздуха. Погрешности измерений диаметра и длины капилляра возьмите из «паспорта» прибора.
9. В выводе сравните полученное значение вязкости воздуха с табличным значением (= 1,810-5 Пас при 18оС)
Дополнительное задание
1. Вычислите плотность воздуха по формуле с=pM/RT, где М = 0,029 кг/моль - молярная масса воздуха, R - универсальная газовая постоянная, давление р и температуру Т измерьте по приборам в лаборатории.
2. Вычислите среднюю арифметическую скорость нср молекул воздуха при данных условиях.
3. Вычислите среднюю длину свободного пробега молекул воздуха при нормаль-ных условиях, исходя из формулы связи ее с коэффициентом вязкости .
4. Исходя из формулы р = nkT , вычислите концентрацию п молекул воздуха в лаборатории (k - постоянная Больцмана - равна 1.38•10-23 Дж/К).
5. Вычислить среднее число столкновений молекул, испытываемых одной молекулой за одну секунду .
6. Выполните ряд заданий (см. бланк отчета) практического характера с использование полученных экспериментальных результатов.
Отчет по лабораторной работе №2
«Вязкость газов»
выполненной ……………………………………………………………..
Определение вязкости воздуха по методу Пуазейля
Диаметр капилляра d =…… ± …… мм; Длина капилляра I =…... ± ...... мм
№ п/п
Объем
прошедшего
через капилляр
воздуха Q,
см3 (или мл)
Перепад
давлений, h,
см вод. ст.
давлений р,
Па
Время
протекания воздуха через капилляр t,
с
Вязкость воздуха
10-5 , Пас
1
2
3
4
5
Среднее значение вязкости воздуха
Страницы: 1, 2, 3