Измерение плотности жидкости ареометром

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение гидравлики студентами автотранспортных специальностей предусматривает проведение определённого количества лабораторных работ. В настоящем сборнике представлены описания лабораторных работ и методические указание для их выполнения.

Целью лабораторного практикума является закрепление студентами материала лекционного курса, развитие навыков самостоятельной работы с приборами при проведении экспериментов, обучение методам определения параметров движущейся жидкости и проведению расчётов, а также умению делать выводы на основании полученных результатов.

На выполнение каждой работы отводится 2 часа. Поскольку при изучении дисциплины часть разделов передана студентам для самостоятельного изучения, то в методических указаниях к каждой работе кратко излагается теоретический материал.

ВВЕДЕНИЕ

Гидравликой называют техническую науку, изучающую механические свойства, законы равновесия и движения жидкостей. Термином «жидкость» охватывают как капельные, практически несжимаемые жидкости, так и газообразные или сжимаемые среды.

В основе теоретического подхода лежит принцип непрерывности Эйлера, согласно которому жидкость рассматривается не как совокупность дискретных её материальных частичек, а как континуум, т.е. сплошная или непрерывная материальная среда, допускающая неограниченную делимость её частиц. Подобный взгляд на строение вещества допустим, если размеры объёмов, в которых рассматривается изучаемое явление, достаточно велики по сравнению с размерами молекул и длиной их свободного пробега.

В гидравлике широко пользуются экспериментальными способами исследования, что позволяет исправлять теоретические выводы, отклоняющиеся от реальных явлений.

Основными разделами практической гидравлики являются: течение по трубам, истечение жидкости из отверстий и через насадки, взаимодействие потока с препятствиями, движение в пористых средах (фильтрация), а также гидравлические машины.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Тема 1. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЖИДКОСТИ

Цель работы: освоить методы измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

Общие сведения

Вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии (жидкой фазе), называют жидкостью. Жидкое агрегатное состояние является промежуточным между твёрдым состоянием, которому присущи сохранение своего объёма, образование поверхности, обладание определённой прочностью на разрыв, и газообразным, при котором вещество принимает форму сосуда, где оно заключено. В то же время жидкость обладает только ей присущим свойством − текучестью, т.е. способностью пластически или вязко деформироваться под действием любых (включая сколь угодно малые) напряжений. Текучесть характеризуется величиной, обратной вязкости.

Основные характеристики жидкости – плотность, сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и поверхностное натяжение.

Плотностью однородного вещества называют отношение массы m жидкости к её объему W:

ρ = m/ W.

Сжимаемость – свойство жидкости уменьшать объём под действием всестороннего давления. Она оценивается коэффициентом сжимаемости b _p, показывающим относительное уменьшение объёма жидкости ΔW/W при повышении давления Δρ на единицу:

βρ = (ΔW/W)/Δρ .

Тепловое расширение – свойство жидкости изменять объём при нагревании – характеризуется, при постоянном давлении, коэффициентом объёмного теплового расширения b _T, который равен относительному приращению объёма ΔW/W в случае изменения температуры DТ на один градус:

β _T =(ΔW/W)/ΔT .

Как правило, при нагревании объём жидкости увеличивается.

Вязкость (внутреннее трение) – свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Её оценивают коэффициентом динамической вязкости m, который имеет размерность Па∙с. Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоёв.

Наряду с динамической вязкостью в расчётах часто используют коэффициент кинематической вязкости ν, который определяют по формуле

ν = μ/ρ

и измеряют м²/с или стоксами (1 Ст = 1 см²/с).

Коэффициенты динамической и кинематической вязкости определяются родом жидкости, не зависят от скорости течения, существенно уменьшаются с возрастанием температуры.

Поверхностное натяжение – термодинамическая характеристика поверхности раздела двух фаз, определяемая работой обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение рассматривают как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения s, Дж/м² = Н/м. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю и направлена внутрь той фазы, в которой силы сцепления больше. Таким образом, поверхностное натяжение является мерой некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое, или избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах фаз.

Значения плотности, коэффициентов сжимаемости, объёмного теплового расширения, кинематической вязкости и поверхностного натяжения при температуре 20°С приведены в табл. П. 3.1 приложения.

Описание устройства для изучения
физических свойств жидкости

Устройство для изучения физических свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в одном прозрачном корпусе (рис. 1), на котором указаны параметры, необходимые для обработки опытных данных. Приборы 3–5 начинают действовать после переворачивания на 180^о устройства. Термометр 1 показывает температуру окружающей среды и, следовательно, температуру жидкостей во всех приборах.

Рис. 1. Схема устройства:
1 – термометр; 2 – ареометр; 3 – вискозиметр Стокса;
4 – капиллярный вискозиметр; 5 – сталагмометр

1.1. Определение коэффициента
теплового расширения жидкости

Термометр 1 (рис. 1) имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на тепловом расширении жидкостей. Изменение температуры окружающей среды приводит к соответствующему изменению объёма термометрической жидкости и её уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.

Коэффициент теплового расширения термометрической жидкости определяется на основе мысленного эксперимента. Предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) до верхнего предельного значения термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину l.

Для определения коэффициента теплового расширения необходимо:

1. Подсчитать общее число градусных делений D T на шкале термометра и измерить расстояние l между крайними штрихами шкалы.

2. Вычислить приращение объема термометрической жидкости

ΔW = π r²l,

где r – радиус капилляра термометра (указан на термометре).

3. С учётом начального (при 0°С) объёма термометрической жидкости W (значение приведено на термометре) найти коэффициент теплового расширения β _T = (ΔW/W)/ΔT и сравнить его со справочным значением β _T^* (табл. П. 3.1). Значения используемых величин занести в табл. 1.

Таблица 1

Результаты наблюдений и расчётов

Измерение плотности жидкости ареометром

Ареометр 2 (рис. 1) служит для определения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована в значениях плотности.

В ходе работы необходимо выполнить следующие операции:

1. Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нём.

2. Вычислить плотность жидкости по формуле

ρ = 4m/(πd²h),

где m и d – масса и диаметр ареометра (значения приведены на ареометре).

Эта формула получена путём приравнивания силы тяжести ареометра G = mg и выталкивающей (архимедовой) силы F_{A =} ρ gW, где объём погружённой части ареометра W = hπd²/4.

3. Сравнить опытное значение плотности r со справочным значением r* (табл. П. 3.1). Значения используемых величин свести в табл. 2.

Таблица 2

Результаты наблюдений и расчётов