УСТРОЙСТРОЙСТВО ВИСКОЗИМЕТРА ВК-4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Тема : «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА

ВНУТРЕННЕГО ТРЕНИЯ (вязкости) ЖИДКОСТИ

МЕДИЦИНСКИМ ВИСКОЗИМЕТЕРОМ ВК-4»

ЦЕЛЬ. Изучить явление внутреннего трения жидкости, физические основы измерения коэффициента вязкости, устройство медицинского вискозиметра, освоить основные приемы работы с медицинским вискозиметром.

 

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Вискозиметр ВК-4, дистиллированная вода, растворы спирта.

 

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. Особенности молекулярного строения жидкости.

2. Внутреннее трение. Формула Ньютона. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

3. Коэффициент внутреннего трения, его физический смысл, единицы измерения.

4. Ламинарное и турбулентное течение жидкости. Число Рейнольдса.

5. Течение вязкой жидкости по трубам. Закон Пуазейля.

6. Методы определения коэффициента вязкости. Капиллярный вискозиметр.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

При движении реальной жидкости, в том числе при движении крови по сосудам, возникают силы внутреннего трения. Они являются следствием межмолекулярного взаимодействия при перемещении слоев жидкости друг относительно друга.

Ньютон установил, что сила внутреннего трения пропорциональна площади соприкасающихся слоев жидкости (S), градиенту скорости ( ) и зависят от природы жидкости:

. (1)

h - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом внутреннего трения или вязкостью. Единицей вязкости в СИ является Паскаль×секунда (Па×с).

Коэффициент вязкости численно равен силе трения, возникающей между слоями жидкости площадью 1 м² при единичном градиенте скорости:

, если S=1м²;

Внесистемной единицей вязкости является пуаз (П), 1 Па×с=10 П.

Градиент скорости характеризует быстроту изменения скорости при переходе от слоя к слою жидкости в направлении, перпендикулярном параллельному движению слоев.

Жидкости, коэффициент трения которых зависит от природы вещества, температуры, наличия примеси в них, но не зависит от градиента скорости, называют ньютоновскими. Они подчиняются уравнению (1).

Жидкости, коэффициент трения которых зависит от природы вещества, температуры, примесей и градиента скорости называют неньютоновскими. они не подчиняются уравнению (1). Для них зависимость силы трения от градиента скорости носит более сложный характер.

Кровь представляет собой суспензию форменных элементов в белковом растворе - плазме. Поэтому, строго говоря, она должна быть отнесена к неньютоновским жидкостям. Кроме того, при течении крови по сосудам наблюдается повышение концентрации форменных элементов в центральной части потока, где вязкость соответственно увеличивается. Но поскольку вязкость крови не столь велика, этим явлением пренебрегают и относят кровь к ньютоновсим жидкостям. Т.к. сила трения при движении слоев жидкости направлена по касательной к движущимся слоям жидкости, уравнение Ньютона может быть преобразовано следующим образом:

- называют касательным напряжением.

Градиент скорости обозначим через γ:

Тогда (2) для ньютоновских жидкостей,

(3) для неньютоновких жидкостей.

 

Рис. 1.

I. – ньютоновская жидкость;

II, III, IIIa – неньютоновская жидкость.

Графики зависимости представляют собой прямые и называются кривыми течения, линия II характеризует жидкости, в которых течение начинается лишь при достижении некоторого значения напряжения s₀. Более сложные жидкости имеют кривые течения типа III и IIIа.

Различают ламинарное и турбулентное течение реальной жидкости. При ламинарном течении жидкость разделена на слои, которые движутся с различными скоростями, не перемешиваясь. Это движение подчиняется закону Пуазейля и происходит с минимальной затратой энергии. При турбулентном течении скорости частиц беспорядочно меняются, образуют местные завихрения, движение сопровождается шумами, происходит перемешивание жидкости, расходуется дополнительно энергия.

Критерием оценки характера течения жидкости является число Рейнольдса:

,

где:

r - плотность жидкости;

v – скорость течения жидкости;

D - диаметр трубы (сосуда);

ŋ – вязкость жидкости.

 

Если R_е < R_{е кр} .- характер течения ламинарный,

R_е > R_{е кр.} - турбулентный.

В основу метода капиллярного вискозиметра положен закон Пуазейля, который для случая ламинарного течения по трубам (капиллярам) имеет вид:

где:

V – объем жидкости;

Dр - разность давлений на концах капилляра;

l - длина капилляра;

r - радиус капилляра;

t - время протекания жидкости.

 

Определение коэффициента вязкости жидкости проводится методом сравнения его с известным коэффициентом вязкости другой жидкости при помощи капиллярного вискозиметра. Для этого необходимо сравнить время t₁ и t₂ истечения равных объемов жидкостей - эталонной (воды) и исследуемой через один и тот же капилляр.

Пусть:

Приравняем объемы V₁ = V₂ и произведя алгебраические преобразования, получим соотношение:

Учитывая, что величина Δр в вискозиметре зависит от разности уровней жидкости в коленах вискозиметра

получаем

где r - плотность жидкости.

Определение коэффициента вязкости жидкости методом медицинского вискозиметра также основано на законе Пуазейля.

Из формулы Пуазейля следует, что объемы жидкостей, протекающие за определенный промежуток времени по капиллярным трубам одинакового радиуса, при прочих равных условиях обратно пропорциональны коэффициентам вязкости этих жидкостей:

Зная значение η₀ и измерив величины l₀ и l, можно вычислить коэффициент вязкости исследуемой жидкости по формуле

УСТРОЙСТРОЙСТВО ВИСКОЗИМЕТРА ВК-4

Вискозиметр ВК-4 состоит из градуированных пипеток 1 и 2, укрепленных на общей подставке (рис. 2). Внутри пипеток проходят капилляры одинакового диаметра и одинаковой длины. Одна из пипеток снабжена краном 3. Пипетки соединяются тройником 4, заканчивающимся резиновой трубкой 5 с наконечником 6.

5 6

рис. 2

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что называется внутренним трением или вязкостью жидкости?

2. Каковы причины и как проявляется внутреннее трение?

3. Каково направление сил внутреннего трения?

4. От чего зависит сила внутреннего трения (формула Ньютона)?

5. Что такое коэффициент внутреннего трения, в чем его физический смысл, единицы измерения?

6. От чего зависит коэффициент внутреннего трения для ньютоновских жидкостей?

7. Что такое ньютоновские и неньютоновские жидкости?

8. От чего зависит коэффициент вязкости для неньютоновских жидкостей?

9. Относится или нет кровь к ньютоновским жидкостям? Почему?

10. Какое течение жидкости называется ламинарным, турбулентным?

11. Каково условие ламинарного течения жидкости?

12. Почему концентрация эритроцитов больше в центре сосуда, а не на периферии (у стенок)?

13. Что представляет собой формула Пуазейля? Справедлива ли она в случае турбулентного течения жидкости?

14. Как устроен капиллярный вискозиметр?

15. Каково теоретическое обоснование метода измерения вязкости жидкости с помощью капиллярного вискозиметра?

16. Какова последовательность действий при определении коэффициента вязкости капиллярным вискозиметром?

17. Перечислите методы измерения вязкости жидкости и дайте их краткую характеристику.

18. Для чего необходимо уметь измерять коэффициент вязкости биологических жидкостей?

 

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

 

Последовательность действий	Способ выполнения задания.
1. Измерение коэффициента вязкости раствора спирта 30 %, 60%, 90%	1. Откройте кран 3 (см. рис. 2), опустите верхний конец пипетки 1 в сосуд с дистиллированной водой и, втягивая ртом воздух через наконечник 6, втяните в пипетку воду до нулевой отметки. После чего закрыть кран 3. 2. Наберите исследуемую жидкость в пипетку 2. Для этого конец пипетки 2 опустите в пробирку с исследуемой жидкостью и втяните ее также до метки 0 3. Положите вискозиметр на стол. Манипулируя краном 3, втягивая и выдувая столбы жидкости, установите их на метках 0. При открытом кране 3 осторожно втягивайте воздух из обеих пипеток. При этом оба столба жидкости будут втягиваться с разными скоростями вдоль капилляров. Когда исследуемая жидкость дойдет до метки 1, прекратите втягивание. (l=1). За это время вода пройдет больший путь l0. Коэффициент вязкости воды η0 при комнатной температуре принимается равным одному сантипуазу. Как видно из формулы , при этих условиях коэффициент вязкости исследуемой жидкости η численно равен пути, пройденному водой. Поэтому, посмотрев до какой метки дошла вода, сразу определяют значение η в сантипуазах. Измерения проведите не менее 5-ти раз. Результаты измерений занесите в таблицу: № С, % l исследуемой жидкости l0 воды
2. Обработка результатов измерений	1. Для каждого раствора по результатам пяти измерений найдите среднее значение 2. Найдите абсолютную и относительную погрешность измерений 3. Сделайте выводы по полученным результатам