Определение вязкости вискозиметром Стокса

Вискозиметр Стокса 3 (рис. 1) содержит цилиндрическую ёмкость, заполненную исследуемой жидкостью, и шарик. Прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени падения шарика в ней.

Порядок выполнения эксперимента:

1. Повернуть устройство в вертикальной плоскости на 180° и зафиксировать секундомером время t прохождения шариком расстояния l между двумя метками в приборе. Шарик должен падать по оси ёмкости без соприкосновения со стенками. Опыт выполнить три раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t.

2. Вычислить опытное значение коэффициента кинематической вязкости жидкости по формуле

ν = [gd²t(ρ_ш/ρ – 1)] / = [t (18 + 43,2d / D].

где g – ускорение свободного падения; d, D – диаметры шарика и цилиндрической емкости; r, r_ш – плотности жидкости и материала шарика (значения r_ш и d приведены на вискозиметре).

3. Сравнить опытное значение коэффициента вязкости n c табличным значением n^* (табл. П.3.1). Значения используемых величин свести в табл. 3.

Таблица 3

Результаты наблюдений и расчётов

1.4. Измерение вязкости капиллярным
вискозиметром

Капиллярный вискозиметр 4 (рис. 1) включает ёмкость с капилляром. Вязкость определяется по времени истечения жидкости из ёмкости через капилляр.

Порядок выполнения эксперимента:

1. Перевернуть устройство в вертикальной плоскости и определить секундомером время t истечения через капилляр объёма жидкости между метками из ёмкости вискозиметра 4 и температуру Т по термометру 1.

Вычислить значение коэффициента кинематической вязкости по формуле

ν = Mt,

где M – постоянная прибора (приведена на вискозиметре),

и сравнить его со значением из табл. П. 3.1. Результаты измерений и расчётов занести в табл. 4.

Таблица 4

Результаты наблюдений и расчётов

Примечание. В таблице П. 3.1 приведены значения коэффициента вязкости жидкостей при температуре 20°С. Поэтому опытные значения, полученные при другой температуре, могут существенно отличаться от табличных значений.

1.5. Измерение поверхностного натяжения
сталагмометром

Сталагмометр 5 (рис. 1) служит для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и содержит ёмкость с капилляром, расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна её весу (силе тяжести) и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении ёмкости с заданным объёмом.

Порядок выполнения эксперимента:

1. Перевернуть устройство и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 5 из объёма жидкости, заключённого между двумя метками. Опыт повторить три раза и вычислить среднее арифметическое значение числа капель п.

2. Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения по формуле

σ = Kρ / n,

где К – постоянная сталагмометра,

и сравнить его со значением s^* из табл. П. 3.1. Результаты измерений и расчётов занести в табл. 5.

Таблица 5

Результаты наблюдений и расчётов

Контрольные вопросы

1. Какую величину называют поверхностным натяжением жидкости? В каких единицах она измеряется?

2. Как называют прибор для определения поверхностного натяжения жидкости? Как он устроен?

3. Что называют сжимаемостью и чем она характеризуется?

4. Какие величины необходимо измерить при определении коэффициента кинематической вязкости капиллярным вискозиметром?

5. Что подразумевают под термином «вязкость жидкости»?

6. Какая связь между динамическим и кинематическим коэффициентами вязкости?

7. Что характеризует коэффициент теплового расширения?

8. Как называют прибор для определения плотности жидкости?

9. Какое свойство присуще только жидкости?

10. На чём основан метод определения поверхностного натяжения при помощи сталагмометра?

11. Какой закон положен в основу метода определения плотности жидкости ареометром?

Тема 2. ИЗУЧЕНИЕ ПРИБОРОВ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: изучить устройства и принцип действия приборов для измерения давления, приобрести навыки измерения гидростатического давления жидкостными приборами.

Общие сведения

Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т.е. силу, действующую на единицу площади поверхности. За единицу измерения давления в международной системе единиц принят паскаль (Па = Н/м²).

Различают абсолютное, атмосферное, манометрическое и вакуумметрическое давления.

Абсолютное (полное) давление р отсчитывается от абсолютного вакуума. Атмосферное давление р_а создается силой тяжести воздуха атмосферы. Его значение зависит от высоты места измерения, температуры воздуха (времени года, суток). На уровне моря при температуре 0^оС принимается равным 101325 Па или 760 мм рт. ст. Положительную разность между абсолютным давлением и атмосферным называют манометрическим (избыточным) давлением, а отрицательную – вакуумметрическим давлением:

Приборы для измерения атмосферного давления назвали барометрами, манометрического – манометрами, разряжения (вакуума) – вакуумметрами.

По принципу действия и типу рабочего элемента приборы бывают жидкостными, механическими и электрическими.

Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми. Их действие основано на принципе уравновешивания измеряемого давления р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе:

p = ρgh,

где r – плотность жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт. ст., м вод. ст.). Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и высокая точность, однако они удобны только при измерении небольших давлений.

В механических приборах измеряемое давление вызывает деформацию чувствительного элемента (трубки, мембраны, сильфона), которая с помощью специальных механизмов передаётся на указатель. В манометре Бурдона используется отклонение трубки овального поперечного сечения под действием давления для перемещения указателя (стрелки) относительно шкалы. Быстродействие его низкое и составляет порядка 1 секунды. Более того, расстояние между точкой измерения и местом расположения манометра лимитируется длиной капиллярной трубки, связывающей эту точку с измерительным устройством. Несмотря на эти недостатки, в инженерной практике манометры Бурдона широко используются благодаря простоте конструкции, низкой стоимости и широкому диапазону измеряемых давлений. Такие приборы компактны и имеют большой диапазон измеряемых давлений. Недостатком механических приборов является инерционность, что не позволяет использовать их для измерения мгновенного значения давления в быстропротекающих процессах.

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал. Сигнал регистрируется показывающим или пишущим прибором (вольтметром, амперметром, самописцем, осциллографом). В последнем случае можно фиксировать давление при быстро протекающих процессах.