Физические свойства жидкостей

Федеральное государственное  автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Инженерно-строительный институт

Кафедра «ИСЗиС»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема: Физические свойства жидкостей.

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №1

ИЗУЧЕНИЕ  ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТЕЙ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель            ______________              _____________________

 

Бригада:

Вдовичеко Е.С.

Ильина К.В.

Дресвянских К.А.

Перебейнос  Д.В.

Бруев И.Ю.

 

Студент    ____________    ________________   _____________  ____________   

 

 

 

Красноярск 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание

1. Цель лабораторной работы
2. Общие сведения
3. Описание установки
4. Ход работы:

• Определение коэффициента температурного расширения термометрической жидкости
• Определение плотности жидкости и концентрации раствора
• Определение коэффициента динамической вязкости жидкости
• Определение коэффициента кинематической вязкости жидкости
• Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Вывод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Определить значения коэффициентов объемного расширения b_t, кинематической n и динамической m вязкости, поверхностного натяженияs, а также плотности жидкости r и концентрации раствора с; сравнить полученные данные с табличными значениями.

 

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Гидравлика - это техническая наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости, способы приложения этих законов к решению практических задач.

В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки ЖИДКОСТИ, ограниченные и направленные твердыми стенками. В понятие «жидкость» включают все тела, для которых свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как жидкости обычные (называемые капельными), так и газы. Первые отличаются тем, что в малом количестве под действием поверхностного натяжения принимают сферическую форму, а в большем - обычно образуют свободную поверхность, поверхность раздела с газом.

К капельным  относятся - вода, нефть, керосин, масло, ртуть и др. жидкости. В гидравлике в основном рассматриваются капельные  жидкости.

Все жидкости обладают механическими характеристиками и `физическими свойствами.

К физическим свойствам относятся:

• плотность
• удельный вес
• сжимаемость
• температурное расширение
• сопротивление растяжению
• силы поверхностного натяжения
• вязкость
• текучесть
• пенообразование
• химическая и физическая стойкость
• совместимость
• испаряемость
• растворимость газов в жидкости.

Помимо  указанных свойств вода обладает только ей присущими свойствами: - вода это единственное вещество в природе, которое в земных условиях существует во всех трех агрегатных состояниях;

Плотность жидкости r (кг/м³) - это количество (масса m) вещества, содержащегося в единице объема V:

 

Плотность r во всех точках однородной жидкости одинакова.

Плотность жидкостей и газов, зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением  плотности с увеличением температуры.

Удельный вес однородной жидкости γ (Н/м³) - это отношение веса G жидкости к его объему V:

g

где g - ускорение свободного падения g = 9,81м/с²

Сжимаемость - это свойство жидкостей изменять объем при изменении давления и оценивается коэффициентом объемного сжатия b_v (м²/Н) представляющим относительное изменение объема жидкости V₀ при изменении давления r на единицу:

 

Знак «минус» в формуле означает, что положительному приращению давления р соответствует уменьшение первоначального  объема жидкости V_0.

Модуль упругости жидкости Е, Па – величина, обратная коэффициенту объемного сжатия.

 

 

Температурное (тепловое) расширение жидкости - это свойство жидкости изменять свой объем при нагревании и охлаждении; оно характеризуется коэффициентом температурного расширения , выражающим относительное увеличение объема жидкости V при увеличении температуры на 1 градус при постоянном давлении р = const и определяется по формуле:

 

Вязкость - это свойство жидкости сопротивляться скольжению или сдвигу смежных слоев.

Закон вязкости трения:

 

 

Кинематическую вязкость:

Единицей кинематической вязкости в системе СИ принята единица м²/с, названная «стоке», - 1м²/с = 10⁴Сm = 10⁶сСт (сантистокс).

Вискозиметрия - процесс определения вязкости.

Вискозиметр - прибор, определяющий вязкость.

Текучестью жидкости - способность жидкости неограниченно деформироваться под действием приложенной сколь угодно малой силы.

Свободная поверхность жидкости - это граница раздела между жидкостью и газом.

Поверхностное натяжение - это свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул. Поверхностное натяжение стремится сократить свободную поверхность жидкости и характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения s.

 

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

1 – термометр

2 – ареометр

3 – вискозиметр Стокса

4 – капиллярный вискозиметр  Оствальда

5 - сталагмометр

Термометр I - показывает температуру окружающего воздуха, а соответственно и температуру жидкостей, находящихся в приборах.

Термометр имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный  термометрической жидкостью и шкалу.

Ареометр 2 - служит для измерения плотности (концентрации) жидкости поплавковым методом.

Представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в его нижней части.

Вискозиметр Стокса 3 - прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени падения шарика.

Представляет собой емкость трапециедального сечения, заполненную исследуемой жидкостью (индустриальное масло 20) с находящимся в ней шариком имеющим плотность, отличную от плотности жидкости.

Вискозиметр Оствальда 4 - (капиллярный вискозиметр) состоит из емкости с капилляром. Вязкость определяется по времени истечения жидкости из емкости через капилляр.

Сталагмометр 5 - служит для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и содержит емкость с капилляром, расширенным в его концевой части для накопления жидкости в виде капли.

 

4. ХОД РАБОТЫ

 

Определение коэффициента температурного расширения термометрической жидкости

Приборы и оборудование: термометр, линейка с миллиметровыми делениями.

Коэффициент термического расширения термометрической жидкости определяется с помощью мысленного эксперимента, предполагается, что температура  окружающей среды повысилась от нижнего  первоначального значения до верхнего предельного, соответствующего температуре  окружающего воздуха и уровень  жидкости в капилляре вырос на величину l.

 

Результаты  опытного определения коэффициента

 

Вид жидкости	r, см	VH, см3	DТ, °К	l, см	DV, см3	, К-1	, К-1
спирт	0,1	0,2394	21	2,1	0,48	0,95	1,1

 

l – расстояние между крайними штрихами шкалы термометра, см

r – радиус капилляра термометра, см

V_H  – начальный объем, при t=0°C=273К

Vк – конечный объем, при t=21°C=294K

DV – изменение объема, см³

DV `– приращение объема термометрической жидкости, см³

DV`` – изменение объема, при изменении температуры от 0°С до 21°С, см³

DТ – разность температуры, °К

Т_Н – начальная температура, °К

Т_К – конечная температура, °К

p - определенное иррациональное число

b_t – коэффициент теплового расширения, К^-1

 

Последовательность проведения опыта:

Определяем разность температуры:

DТ=Т_К – Т_Н

DТ=294К – 273К=21К

Вычисляем приращение объема термометрической жидкости:

DV`=pr² l

DV=3,14×(0,01см)²×2,1см=0,000659 см³

DV``=V_К – V_Н

DV``=0,5027 – 0,02394 = 0,4788 см³

DV=DV` + V``

DV=0,000659+0,4788=0,48 см³

Находим значение коэффициента теплового  расширения:

b_t= К^-1

b_t==0,95 К^-1

 

Вывод: в эксперименте получили коэффициент теплового расширения b_t=0,95 К^-1, данное значение отличается от табличного b_t*=1,10 К^-1. Процент погрешности 9%.

 

Определение плотности жидкости и  концентрации раствора.

Приборы и оборудование: ареометр и термометр.

 

m – масса ареометра, г

d – диаметр ареометра, см

r - плотность жидкости, г/см³

h – глубина погружения ареометра

с – объемная концентрация

 

Последовательность проведения опыта:

1. Измеряем  глубину погружения h ареометра по шкале на нем с последующим вычислением плотности по формуле:

 

2. Сравниваем опытное значение плотности r со справочным значением r*. 3. После определения плотности раствора r_р, при известных значениях плотности воды r²⁰_в = 998кг/м³ и глицерина r²⁰ _гл. = 1260кг/м³ , рассчитываем объемную концентрацию водного раствора глицерина по формуле:

 

 

Определение коэффициента динамической вязкости жидкости

Приборы и оборудование: Вискозиметр Стокса, секундомер.

 

Последовательность проведения опыта:

Быстро перевернем корпус устройства в вертикальной плоскости  на 180°, тогда шарик окажется в верхней части прибора и начнет двигаться вниз.

С помощью  секундомера зафиксируем время  прохождения шариком отрезка  между двумя метками, нанесенными  на приборе. Определяем среднеарифметическое значение времени:

 

 

Результаты опытного определения  коэффициента динамической вязкости

Вид жидкости	rш, кг/м3	рж, кг/м3	D,м	d,м	l, м	t, сек	m,Пс´с
Индустриальное масло	1136	900	0,023	0,008	0,07	11	1,43

 

t₁ =11 сек.

t₂ =10,7 сек.

t₃ =11,3 сек.

 

 

Рассчитаем диаметр прибора:

S =× × 1,4 = 4,2

a = 2 см

в = 4 см

h = 1.4 см

S_тр=S_ок=p

 

D=2r=2×1,156=2,3см=0,23 м

Рассчитаем коэффициент динамической вязкости:

 

 – плотность  шарика, кг/

 – плотность  жидкости, кг/

t – время прохождения шариком отрезка l между двумя метками, сек

D – диаметр прибора, м

d – диаметр шарика, м

l – расстояние между двумя метками, м

n - кинематическая вязкость,

m - динамическая вязкость, Па×с

r - плотность, кг/

mn×r××× = 0,099 Па×с

n

 

××××=

1Па = 1 кг/м×; 1 Па = 1 Н/; 1Н = 1кг×м/

Вывод: в эксперименте получили динамическую вязкость m=1,43 Па×с, табличное значениеm *=0,099 Па×с. Процент погрешности 93%.

 

 

Определение коэффициента кинематической вязкости жидкости

Приборы и оборудование: капиллярный вискозиметр, секундомер.

 

Последовательность проведения опыта:

Повернем устройство в вертикальной плоскости на 180° и определить секундомером время t истечения через капилляр объема жидкости между метками из емкости вискозиметра:

Результаты опытного определения  коэффициента кинематической вязкости жидкости

Вид жидкости	М, м2/с2	t, сек	n, м/
Масло трансформаторное	5,33×10-6	111,8	595,894×10-6

 

t₁ =109,1 сек.

t₂ =107,1 сек.

t₃ =119,2 сек.

 

Вычислим  значение коэффициента кинематической вязкости через постоянную М прибора:

 

М – постоянная прибора, м²/с²

t – время истечения через капилляр объёма жидкости между метками, сек

n  - коэффициент кинематической вязкости жидкости, м/

 

n

n5,33×10^-6 м/с²×111,8=595,894×10^-6 м/

Вывод: в эксперименте получили коэффициент кинематической вязкости n=595,894×10^-6 м/табличное значениеn 31×10^-6 м/с^2. Процент погрешности 95%.

 

 

Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Приборы и оборудование: сталагмометр, секундомер.

 

Последовательность проведения опыта:

Повернуть устройство на 180° и подсчитать число капель, вытекших из объема сталагмометра высотой S между двумя метками.

 

Вид жидкости	К, м3/сек	r, кг/м3	n, шт	s, н/м	s*, н/м
Масло транспортное	6,67×10-3	887	237	25×103	25×103