Часть 2. Метод капиллярного вискозиметра

Приборы и принадлежности: капиллярный вискозиметр, секундомер, флакон с водой, флакон со спиртом, флакон с водой для промывания вискозиметра, мензурка, воронка, насос, трубка.

6.2*. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ

6.2.1*. Экспериментальная установка

В штативе 1 (рис.6.3) за креплен капиллярный вискозиметр 2. Вискозиметр представляет собой U-образную стеклянную трубку. широкое колено AB которой заканчивается внизу расширением B, переходящими в капиллярную трубку CD. Эта трубка имеет расширения K₁ и K₂ . Метки M и H между этими расширениями ограничивают определенный объем жидкости, время истечения которой измеряется с помощью секундомера. Насос (резиновая груша) 3 соединяется резиновой трубкой 4 с капиллярной трубкой вискозиметра и служит для поднятия жидкости вверх по капилляру в расширения K₁ и K₂ .

6.2.2*. Описание метода измерений

Метод основан на том, объем протекающей вязкой жидкости через узкую трубку зависит от времени протекания. Поэтому можно сравнить время протекания разных жидкостей, вязкость одной из которых известна через одну и ту же трубку (капиллярную трубку вискозиметра).

Поток жидкости, протекающей по вертикально расположенной капиллярной трубке, можно считать ламинарным (слоистым) течением. Этот поток создается благодаря разности давлений p атмосферного воздуха концах капилляра. По формуле Пуазейля, объем прошедшей жидкости за время t зависит не только от величин t и p, но и от радиуса r капилляра, его длины l, а также от свойств жидкости (коэффициента вязкости ):

. (6.9)

Однако, если выразить величину  из формулы (6. 9), то нахождения ее значения придется выполнить достаточно много прямых измерений. Это снижает точность метода измерений, поскольку каждое прямое измерение имеет погрешность.

Поэтому значительно проще и точнее производить вычисление коэффициента вязкости  исследуемой жидкости (например, спирта) посредством сравнения его с известным значением коэффициента вязкости ₀ другой жидкости (например, воды). Такой подход уменьшает число прямых измерений и количество используемых измерительных приборов, следовательно, способствует повышению точности метода.

Действительно, если по одному и тому же капилляру протекают одинаковые объемы разных жидкостей с вязкостями  и ₀ , то на основании формулы (6.9) справедливо соотношение:

. (6.10)

В случае, когда жидкости текут под воздействием только силы тяжести, что обеспечивается конструкцией вискозиметра, отношение разностей давлений на концах капилляра равно отношению соответствующих плотностей жидкостей:

.

Для спирта  = 0,79^.10³ кг/м³, для воды ₀ = 1,00^.10³ кг/м³ .

Таким образом, расчетная формула для коэффициента вязкости спирта примет вид:

, (6.11)

где коэффициент вязкости воды равен ₀ = 1,034^.10^-3 Па^. с.

6.3*. Задания. Вопросы. Рекомендации

6.3.1*. Контрольные вопросы

1. От каких величин зависит объем жидкости, протекающей через капиллярную трубку?

2. Каким образом вычисляется значение коэффициента вязкости жидкости с помощью капиллярного вискозиметра?

3. Какая из жидкостей более вязкая: вода или спирт? Каковы справочные значения коэффициентов вязкости этих жидкостей при нормальных условиях (или близких к ним)?

4. Какой из методов - метод Стокса или метод капиллярного вискозиметра - даст меньшую ошибку вычисления коэффициента вязкости в процентном выражении?

6.3.2*. Порядок выполнения работы

1. В отчет запишите основные исходные и расчетную формулу, применяемые в данном методе.

2. Подготовьте вторую таблицу для записи результатов, оформив ее, как описано на с. 35, и учитывая необходимую надежность не менее 78 %.

3. Подготовьте установку к работе:

• закрепите вискозиметр в вертикальном положении, а из флакона с промывочной водой налейте в мензурку 10  15 см³ воды, которую затем с по мощью воронки вылейте в широкое колено вискозиметра;

• насосом поднимите промывочную воду до верхнего расширения капилляра;

• после того как вода стечет, и вискозиметр промоется, открепите его от штатива и вылейте воду в соответствующий флакон (через воронку);

• вновь закрепите вискозиметр в штативе.

3. Отмерьте по мензурке 10 см³ "рабочей" воды и вылейте через воронку в широкое колено вискозиметра. Насосом аккуратно поднимите воду до середины верхнего расширения.

4. Наблюдая течение воды по капилляру, начните измерение времени (с помощью секундомера) в тот момент, когда верхний уровень воды проходит через метку M .

5. Остановите секундомер, когда уровень воды проходит через метку H . Значение времени запишите в таблицу.

6. Повторите опыт с водой (пп.35), чтобы надежность была не менее 78 %.

7. Открепив вискозиметр, вылейте воду вылейте (через мензурку) в соответствующий флакон, а вискозиметр промойте, т.е. повторите п.2.

8. Повторите п.п. 37 со спиртом.

9. По расчетной формуле (6.11) вычислите среднее значение коэффициента вязкости спирта и обработайте результат, вычисляя абсолютные и относительные ошибки измерений.

10. Запишите и проанализируйте окончательный результат. Сравните относительную погрешность измерения коэффициента вязкости с такой же погрешностью в методе Стокса. Сформулируйте выводы.

УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания к лабораторным занятиям по физике для студентов естественно-географического факультета. Введение. Смоленск: СмолГУ, 2007.

2. Руководство к лабораторным работам по физике //Под ред. Л. П. Гольдина. - М.: Наука, 1973.

3. Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. Механика, молекулярная физика, колебания и волны. - М.: Наука, 1972.

4. Савельев И.В. Курс физики. Механика. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1989, т.1.

5. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1976.

6. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. - М.: Высш. шк., 1987.

7. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика. - М.: Наука, 1990, т.2.

8. Гершензон Е. Л., Малов Н. Н. Курс общей физики. Молекулярная физика. - М.: Просвещ., 1982.

9. Чертов А. Г. Физические величины. - М.: Высш.шк., 1990.

10. Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. - М.: Наука, 1988.