Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра гидравлики и гидравлических машин

Экспериментальное определение зависимости плотности и кинематической вязкости жидкостей от температуры

Методические указания к лабораторной работе №3

для студентов всех форм обучения

Пермь 2012

Составители: Е.М. Набока, А.В. Горбунов, М.И. Хазанов.

Экспериментальное определение зависимости плотности и кинематической вязкости жидкостей от температуры. Методические указания к лабораторной работе №3 / Составители Е.М. Набока, А.В. Горбунов, М.И. Хазанов.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет – Пермь, 2012. – 17 с.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Гидравлики и гидравлических машин» 16 февраля 2012 г.

Заведующий кафедрой

гидравлики и гидравлических машин,

д.т.н., профессор Е.М. Набока

Приведены основные сведения о плотности и кинематической вязкости жидкостей и их зависимость от температуры, дано описание учебной установки «Свойства жидкости СЖ-01М», изложена последовательность проведения эксперимента и порядок обработки опытных данных.

Иллюстраций 7. Библиография 6 назв. Таблицы 6.

 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2012 г.

Предметом лабораторного исследования является зависимость изменения плотности и кинематической вязкости жидкостей от температуры.

1. ЦелЬ работы

Ознакомиться с методиками измерения плотности и кинематической вязкости жидкости.

Опытным путём изучить зависимость изменения плотности и кинематической вязкости жидкостей от температуры.

2. Общие сведения

Важнейшими физико-механическими свойствами жидкостей являются такие, которые определяют её поведение в гидравлическом приводе и её взаимодействие с элементами гидропривода. К числу важнейших физико-механических свойств жидкостей относятся плотность и вязкость.

2.1. Плотность.

Плотностью ρ называется масса жидкости, отнесенная к единице объёма

, , (1)

где m – масса жидкости;

V – объём жидкости.

Плотность рабочих жидкостей зависит от температуры и от давления, т.е.

.

Изменение плотности жидкости с изменением температуры определяется уравнением Д.И. Менделеева

, (2)

где и – значения плотности при температурах ;

– коэффициент теплового объёмного расширения.

В соответствии с требованиями ГОСТ 3900-47 в качестве исходных данных используется значение плотности жидкости при температуре (таблица 1).

Величина коэффициента теплового объёмного расширения, как показывают экспериментальные данные, зависит от плотности рабочей жидкости. С уменьшением плотности жидкости коэффициент объёмного расширения увеличивается. Некоторые значения коэффициента теплового объёмного расширения представлены в таблице 2.

Таблица 1.

Параметры рабочих жидкостей гидравлических приводов.

Параметры рабочих жидкостей	1 группа			2 группа			3 группа
	МГЕ-4А (ТУ 38101573-75)	ЛЗ-МГ-2 (ТУ 38101328-73)	АМГ-10 (ГОСТ 6794-75)	МГЕ-10 (ТУ 38101572-75)	ВМГЗ (ТУ 38101473-74)	АУ (ГОСТ 1642-75)	МГ- 20 (ТУ 3810150-70)	МГ -30 (ТУ 381ё0150-70)	ИС-45 (ГОСТ 20799-75)
Плотность ρ кг/м^3 при θ = 20°С ГОСТ 3900-47	–	840	850	–	865	886-896	885	885	–
Вязкость ν, сСт
ν50°	3,6	4,0	10	10	10	12-14	17-23	27-33	38-52
ν-40°	–	–	–	–	1900	–	–	–	–
ν-50°	260	220	1250	1500	–	–	–	–	–
Температура вспышки в открытом тигле, °С	94	92	92	96	135	163	180	190	200
Температура застывания, °С	-70	-70	-70	-70	-60	-45	-40	-35	-10

Таблица 2

Изменение коэффициента теплового объёмного расширения минеральных масел от их плотности.

ρ0, кг/м^3	βθ, 1/^оС	ρ0, кг/м^3	βθ, 1/^оС
700	8,2·10^-4	900	6,4·10^-4
800	7,7·10^-4	920	6,0·10^-4
850	7,2·10^-4	–	–

Для экспериментального определения плотности рабочих жидкостей применяют специальный прибор, называемый денсиметром. Денсиметр (рис.1) представляет собой запаянный стеклянный сосуд, имеющий два цилиндрических участка – нижний большого диаметра и верхний меньшего диаметра. В нижней части сосуда помещен балласт , в виде маленьких металлических шариков. На верхнем участке нанесены деления, которые соответствуют плотности жидкости, отнесенной к плотности воды при температуре 4°С. Так как денсиметры имеют малый диапазон измерений, они выпускаются наборами, из которых выбирают конкретный денсиметр с диапазоном измерения близким к ожидаемой плотности исследуемой жидкости. Для определения плотности денсиметр опускают в испытываемую жидкость и по верхнему краю мениска производят отсчёт.

Рис. 1. Денсиметр

2.2. Вязкость.

Вязкостью называется способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Это физическое свойство жидкости обусловлено силами межмолекулярного сцепления и поэтому проявляется при её движении.

При слоистом движении реальной жидкости каждые её слои перемещаются с различной скоростью. Поэтому на границе двух смежных слоев жидкости возникают касательные напряжения. Согласно гипотезе, впервые высказанной Ньютоном в 1686 г. и экспериментально обоснованной русским ученым профессором Н.П. Петровым в 1863 г., величина касательного напряжения

, , (3)

где μ – динамическая вязкость жидкости;

– градиент скорости (в направлении, нормальном к движущимся слоям жидкости).

Исходя из приведенной формулы, динамическая вязкость

, . (4)

Динамическая вязкость численно равна касательному напряжению при градиенте скорости .

В системе СГС за единицу измерения динамической вязкости принимается пуаз:

1П = 1 .

1П – вязкость, при которой на границе двух смежных слоев жидкости на площади в 1 см² при градиенте скорости возникает сила, равная 1 дине,

.

В технических расчетах часто используют кинематическую вязкость.

Кинематической вязкостью называют отношение динамической вязкости жидкости к её плотности:

. (5)

В системе СГС за единицу измерения кинематической вязкости принимают стокс (Ст). Величина, в 100 раз меньшая 1 стокса, называется сантистоксом и обозначается сСт,

.

Вязкость жидкости зависит от температуры и давления. При увеличении температуры силы молекулярного сцепления в жидкости ослабевают и поэтому её вязкость уменьшается. Снижение температуры жидкости вызывает противоположный эффект.

Для определения вязкости жидкости применяются специальные приборы, называемые вискозиметрами.

В России применяют вискозиметры Пинкевича и Энглера, в США - Сейболта и Фурола, в Англии - Редвуда и во Франции - Барбье. Все аппараты, кроме вискозиметра Пинкевича и его модификаций, дают условные и разнородные единицы вязкости. Для перевода одних условных единиц вязкости в другие пользуются графиками и формулами. Вискозиметры – Пинкевича, Освальда, ВПЖ – обеспечивают определение вязкости в сантистоксах.

Рис.2 Стеклянные вискозиметры

ВНЖ, ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВПЖ-3, ВПЖ-4

Рассмотрим устройство вискозиметра ВПЖ-2 (Рис.3), который установлен в учебной установке «Свойства жидкости СЖ-01М».

Вискозиметр ВПЖ-2, как разновидность вискозиметра Пинкевича, представляет собой U-образную трубку, устанавливаемую в вертикальной плоскости. Выше и ниже расширения 4 на капиллярном колене 5 нанесены риски А и В, позволяющие фиксировать объем протекающей через капилляр жидкости. Расширение 3 предохраняет от выброса жидкости из колена 5 в процессе работы с прибором. В нижней части колена 1 (трубки большого диаметра) имеется расширение 6, сделанное с целью сократить изменение нижнего уровня жидкости в U-образной трубке при заполнении расширения 4. В верхнем конце колена 1 находится отвод 2 стеклянной трубки, соединенный резиновым шлангом с резиновой грушей, а само колено при испытании закрывается пробкой (пальцем).

Рис. 3 Вискозиметр ВПЖ-2

Для определения вязкости, жидкость заливают в нижнюю часть U-образной трубки. Принцип работы вискозиметра: жидкость из емкости 6, подачей грушей давления в колено 1, загоняется по капилляру 5 в расширение 4 и немного в расширение 3. Затем дают жидкости возможность свободно течь под действием собственного веса. Устанавливают время истечения определенного объема (равного объему расширения 4 вискозиметра, от риски А до риски В) исследуемой жидкости через капиллярную трубку вискозиметра ВПЖ-2, для которого заранее установлена его постоянная. Вязкость жидкости определяется по формуле: ν = С∙Т, сСт, (6) где ν – кинематическая вязкость, сСт;

С – постоянная прибора, сСт/с; (у каждого вискозиметра своя постоянная).

Т – время, с.

Широкое применение в промышленности нашли вискозиметры Энглера – приборы, измеряющие вязкость жидкостей в условных единицах – градусах

Энглера, ,

где Т_θ – время истечения 200 см³ испытуемой жидкости через калиброванное отверстие вискозиметра при температуре θ^оС, с;

T₂₀ – время истечения 200 см³ дистиллированной воды через калиброванное отверстие вискозиметра при температуре θ = 20°С (водное число вискозиметра, указывается в паспорте прибора, обыкновенно скорость истечения воды при 20°С равна 50—52 сек.), с.

Зная вязкость в °Е, можно определить кинематическую вязкость жидкости, например, по формуле Уббелоде

. (7)

Различные жидкости при одной и той же температуре имеют различные значения кинематической вязкости. Более того, у разных жидкостей вязкость от температуры изменяется по различным зависимостям. В таблице 3 приведены значения кинематической вязкости для различных жидкостей.

Большинство зависимостей , применяющихся на практике, являются приближенными эмпирическими формулами, пригодными только для определённых жидкостей и для определённого диапазона температур.

Для минеральных масел в интервале температур θ =30….100°С часто применима формула В.Н. Прокофьева

, (8)

где – кинематическая вязкость при температуре ;

n – показатель степени.

По данным кафедры гидравлики и гидромашин ПНИПУ

, (9)

где – значение кинематической вязкости при .

Для воды зависимость вязкости от температуры определяется выражением

, (10)

где θ – температура воды, С.

На рис. 4 представлены кривые изменения вязкости от температуры для различных масел.

Таблица 3

Зависимость кинематической вязкости различных жидкостей

от температуры (давление = 1 ата)

№ п/п	Вид жидкости	Кинематическая вязкость , см^2/с.
		0С	10С	20С	30С	40С	50С	60С	70С	80С	90С	100С
1	Воздух сухой	0,137	0,147	0,157	0,166	0,176	0,186	0,196	0,2045	0,217	0,229	0,2378
2	Вода пресная	0,0179	0,0130	0,0100	0,008	0,0066	0,0056	0,0048	0,0041	0,0036	0,0033	0,0029
3	Керосин	–	–	0,022	–	–	–	–	–	–	–	–
4	Трансформ. масло	0,705	0,379	0,225	0,147	0,103	0,0758	0,0578	0,0454	0,0366	0,0303	0,0256
5	Веретенное АУ	–	0,740	0,490	0,325	0,212	0,140	0,093	0,0605	0,040	0,0261	0,0178
6	Турбинное 22 (Л)	–	2,1	0,96	0,538	0,360	0,214	0,147	0,105	0,079	0,060	0,0475
7	Турбинное 30 (УТ)	–	3,40	1,62	0,83	0,490	0,310	0,205	0,146	0,107	0,0795	0,060
8	Турбинное 46 (Т)	–	6,50	2,80	1,40	0,750	0,450	0,284	0,195	0,140	0,102	0,078
9	Дизельное масло	–	15,2	6,20	2,80	1,35	0,760	0,450	0,290	0,200	0,142	0,108
10	Масло МС – 20	76,10	27,10	11,25	5,25	2,68	1,50	0,906	0,581	0,394	0,278	0,204
11	Масло МК – 22	–	38,83	15,14	6,91	3,42	1,86	1,106	0,693	0,465	0,323	0,240
12	Топочный мазут 40	–	–	45,00	15,00	6,50	3,20	1,70	0,950	0,600	0,390	0,270