- •С.А. Погожих
- •От автора
- •1.Введение
- •1.1. Техника безопасности
- •1.2. Порядок выполнения работ
- •1.3. Правила построения графиков
- •1.4. Вычисление погрешностей
- •1.5. Рекомендуемая литература
- •2. Описания лабораторных работ
- •2.1. Лабораторная работа №1
- •2.2. Лабораторная работа №2 проверка закона шарля
- •2.3. Лабораторная работа № 3 определение плотности воздуха
- •2.4. Лабораторная работа №4
- •2.5. Лабораторная работа №5
- •2.6. Лабораторная работа №6
- •2.7. Лабораторная работа №7
- •2.8. Лабораторная работа № 8
- •Линейное тепловое расширение
- •Объемное тепловое расширение
- •Тепловое расширение с точки зрения молекулярно- кинетической теории
- •2.9. Лабораторная работа №9
- •Определение коэффициента динамической вязкости
- •Определение длины свободного пробега молекул
- •Определение эффективного диаметра молекул
- •Определение коэффициента динамической вязкости
- •Определение длины свободного пробега молекул
- •Определение эффективного диаметра молекул
- •2.10. Лабораторная работа №10
- •2.11. Лабораторная работа №11
- •2.12. Лабораторная работа №12
- •Измерения и обработка их результатов
- •2.13. Лабораторная работа №13
- •2.14. Лабораторная работа №14
- •2.15. Лабораторная работа №15
- •2.16. Лабораторная работа №16
- •Лабораторная работа №17
- •3. Приборы молекулярной физики
- •3.1. Насосы
- •3.2. Манометры
- •3.3. Термометры
- •3.4. Приборы, измеряющие влажность.
- •3.5. Термостат
- •Запрещается включать термостат без воды!!!
- •3.6. Вискозиметр
- •Методика измерения вязкости.
- •3.7. Катетометр
- •Конструкция прибора
- •Работа с катетометром
- •4. Справочние сведения*
Определение длины свободного пробега молекул
Зная коэффициент вязкости воздуха и измерив атмосферное давление барометром, а температуру – термометром, по формуле (15) вычислите среднюю длину свободного пробега молекул воздуха в системе СИ. Молярная масса воздуха = 28.95 кг/кмоль, R = 8.31 Дж/(мольК).
Определение эффективного диаметра молекул
По формуле (18) рассчитайте, воспользовавшись предыдущими результатами, эффективный диаметр молекул воздуха. При этом:
p0 = 101325 Па, n0 = 2,691025 м-3.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение коэффициента динамической вязкости жидкости. Каков его физический смысл? В каких единицах он из меряется в СИ и СГС?
2. В чем состоит физический смысл понятия "градиент скорости"?
3. Какова природа внутреннего трения в газах?
4. От чего зависит коэффициент вязкости?
5. Покажите, что для газов .
6. Выведите формулу силы внутреннего трения.
7. Что называется длиной свободного пробега газа?
8. Как средняя длина свободного пробега молекул зависит от давления газа?
2.10. Лабораторная работа №10
ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
Цель работы:Экспериментальное определение коэффициента кинематической вязкости исследуемой жидкости и его зависимость от температуры, а также оценка энергии активации вязкого течения.
Приборы и принадлежности:Вискозиметр, термостат, секундомер, термометр, ручной насос, исследуемые жидкости.
ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Из закона Пуазейля, описывающего ламинарное течение жидкости по трубам (капиллярам)
. (1)
Следует:
, (2)
где h– коэффициент динамической вязкости,t– время протекания объемаVжидкости через трубу радиусаrи длинныlпри давлении на концах трубыDp. Если жидкость из трубы вытекает под действием силы тяжести, то
Dp=gh , (3)
где r– плотность жидкости,g– ускорение свободного падения.
Наряду с понятием динамической вязкости используется понятие кинематической вязкости, которая определяется как отношение коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости:
. (4)
Из (2) и (3) для этого коэффициента мы имеем:
, (5)
т.е. прямо пропорционален времени протекания жидкости объемаVчерез трубу. Этим пользуются при экспериментальном определении кинематической вязкости жидкости. Для ее определения служит прибор, называемый вискозиметром (см. описание прибора в разделе3.6). Коэффициент пропорциональности междуив формуле (5) зависит от конструкции вискозиметра и является постоянным для данного прибора. Его численное значение определяется в заводских условиях. Тогда формула (5) для конкретного вискозиметра примет вид:
= С , (6)
где С =gr4/8V – постоянная вискозиметра. Единица измерения кинематической вязкости в системе СГС –стокс(1Ст= 1см2/с), используется также дольная единицастокса –сантистокс (1сСт= 110–2 Ст). В системе СИ единица измерения – 1м2/с = 104 Ст = 106 сСт.
Вязкость жидкостей, в отличие от газов, сильно зависит от температуры. Эта зависимость для не очень больших перепадов температуры может описываться приближенной формулой:
, (7)
где АиW – некоторые постоянные, определяемые на опыте,Т– абсолютная температура,k– постоянная Больцмана. ВеличинаWимеет физический смысл энергии активации вязкого течения, т.е. энергии образования молекулярной полости, в которую проскакивает данная молекула, сорвавшись после некоторого числа колебаний со своего временного положения равновесия. Пусть приТ=Т0, = 0
. (8)
Деля (8) на (7), имеем:
.
Прологарифмируем:
. (9)
Обозначим: ; и для этих обозначений, согласно (9), получим:
. (10)
В результате имеем линейную зависимость вязкости жидкости от температуры в переменных x,ус угловым коэффициентом
Экспериментальная проверка закона (7) или (10) и определение энергии активации Wявляются целью настоящей работы.
Установка для изучения зависимости вязкости жидкости от температуры состоит из вискозиметра, установленного в стеклянном сосуде. Для измерения температуры жидкости в вискозиметре через сосуд пропускают воду, нагреваемую в термостате. Устройство термостата и вискозиметра, а также правила работы с ними см. разделе 3.
ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Чтобы температура сравнялась во всем объеме стеклянного сосуда, перед началом работы на 5 – 10 минут включите электродвигатель термостата.
2. Убедитесь, что в вискозиметре имеется необходимое количество исследуемой жидкости.
3. С помощью резинового шланга подсоедините ручной насос к отводу 7 вискозиметра (рис. 37).
4. Отметьте по термометру, вставленному в стеклянный сосуд, температуру t0с точностью до 0.1°С.
5. Закрыв пробкой отверстие 8, осторожно накачайте насосом жидкость, чтобы она поднялась выше отметки 2 вискозиметра, после чего откройте отверстие 8.
6. В момент, когда уровень вытекающей жидкости поравняется с меткой 2, включите секундомер и выключите его, когда этот уровень будет проходить метку3. Снимите отсчет времени0.
7. По формуле (6) вычислите начальное значение вязкости жидкости 0при0(постояннаяС вискозиметра указана на корпусе прибора).
8. Включите нагреватель термостата и подогрейте воду примерно на 5°С. Для перемешивания воды включите электродвигатель.
9. После того, как температура воды достигнет нужного значения t1, отключите нагреватель при включенном электродвигателе и выждите 5–10мин, чтобы вода в сосуде перемешалась, а вискозиметр прогрелся.
10. Отключите электродвигатель, накачайте жидкость в вискозиметр согласно п. 5и, заметив точно значение температурыt1, измерьте время протекания жидкостиот отметки 2 до 3, как было описано выше.
11. Снимите не менее 6-ти измерений, увеличивая температуру на 5°С. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 12.
Таблица 12
№ опыта |
T,К |
, с |
, сСт |
|
|
|
|
|
|
|
|
12. По данным таблицы постройте график у=f(х) на листе миллиметровой бумаги. Аппроксимируйте полученный график прямой линией.
13. По графику определите угловой коэффициент и рассчитайте энергию активации вязкого течения по формулеW = kT0
14. Зная величину , рассчитайте по формуле
,
коэффициент кинематической вязкости при других произвольно выбранных температурах в интервале от 0° до 100°С (вычислите не менее 10 значений), заполните таблицу 13.
По полученным данным на миллиметровке постройте график зависимости у=f(х) для интервала.
Таблица 13
t,C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
, Ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение коэффициента динамической и кинематической вязкости жидкости.
2. В каких единицах измеряется ив системе СИ и СГС?
3. Расскажите о принципе работы вискозиметра.
4. Чем объясняется наличие сил внутреннего трения в жидкостях?
5. Выведите формулу Пуазейля.
6. Почему скорость слоя жидкости, прилегающего к стенкам капилляра, равна нулю?
7. Расскажите о структуре жидкости и ее свойствах. Что такое "ближний порядок", "среднее время оседлой жизни", "энергия активации"?
8. Почему вязкость жидкости убывает с ростом температуры?