|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Измерение вязкости жидкостей
Вязкость жидкостей. Вязкостью называется свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу. Все реальные жидкости обладают определённой вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных частиц жидкости. Наряду с легко подвижными жидкостями (вода, воздух – как идеальная жидкость) существуют и очень вязкие жидкости, сопротивление сдвигу у которых достаточно высокое (тяжёлые масла – мазут, битум), но есть и другая краевая часть жидкостей, у которых сопротивление сдвигу меньше чем у воды (ацетон, эфир, бензин). Таким образом, вязкость характеризует степень текучести и испаряемости или подвижности её частиц в нормальных условиях жизни человека. Пусть жидкость течёт вдоль плоской стенки так называемыми параллельными ей слоями с небольшой скоростью – смотри рисунок 6.1. Рисунок 6.1 Распределение скоростей при течении жидкости вдоль твёрдой стенки или стенки канала, трубопровода
Так как стенка неподвижна, а жидкость течёт, то на границе со стенкой из-за тормозящего влияния самой стенки слои жидкости будут двигаться с различными скоростями, значения которых возрастают от нуля до максимальной в центре ядра потока жидкости. По какому закону будет изменяться скорость потока? Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиеся на расстоянии ∆y друг от друга. Допустим, слой в точке А движется со скоростью u, а слой В – со скоростью u + ∆u. Из-за разности скоростей слой В сдвигается относительно слоя А на величину ∆u (за единицу времени). Величина ∆u является абсолютным сдвигом слоя А по слою В, а отношение ∆u/∆y выражает градиент скорости (относительный сдвиг). При этом в процессе движения слоёв появляется касательное напряжение между слоями (сила трении на единицу площади), которую необходимо обозначить, скажем через τ. Исходя из этого рассуждения, аналогично явлению сдвига в твёрдых телах, можно получить зависимость между напряжением и деформацией:
6.1
Величина μ, аналогично коэффициенту сдвига в твёрдых телах, характеризуется сопротивляемостью жидкости сдвигу и называется динамической или абсолютной вязкостью. Для определения размерности динамической вязкости из уравнения 6.1 получим: (6.2)
В международной системе единиц СИ динамическая вязкость выражается в Н·с/м2 или Па·с. В технической системе единиц МКГСС динамическая вязкость имеет размерность кгс·с·м-2, а в системе CGS за единицу динамической вязкости принимается пуаз (П), эти сведения приводятся для того, чтобы студентам было удобно пользоваться старыми учебниками, изданными до 1961 года в СССР, так как в них имеются очень ценные сведения и справочные данные, но они даны в старых системах измерения и отличаются от системы СИ. (6.3) Вязкость жидкостей и газов в сильной степени зависит от температуры, при этом, вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, а вязкость газов наоборот – возрастает. Объяснение этого явления заключается в том, что природа капельных жидкостей и газов различна. Дело в том, что в газах средняя скорость (интенсивность) теплового движения молекул с повышением температуры возрастает, следовательно, возрастает и вязкость. А в капельных жидкостях молекулы не могут хаотически двигаться по всем направлениям, как в газе, они могут лишь колебаться возле своего среднего положения. С повышением температуры средние скорости колебательных движений молекул увеличиваются и в результате этого легко преодолеваются удерживающие их связи, благодаря чему жидкость приобретает большую подвижность, текучесть, что и приводит к уменьшению вязкости. Пуазейль определил эмпирическим путём зависимость для чистой пресной воды и назвал её зависимостью динамической вязкости от температуры: (6.4) где μ – абсолютная (динамическая) вязкость жидкости в Па; t – температура в ºС. С увеличением температуры от 0 до 100ºС вязкость воды уменьшается почти в семь раз, смотри таблицу 6.1.
Таблица 6.1- Зависимость плотности ρ, кинематической ν и динамической μ вязкость воды от температуры
Вода принадлежит к наименее вязким жидкостям. Лишь немногие из практически используемых жидкостей (например, эфир и спирт) обладают несколько меньшей вязкостью, чем вода. Наименьшую вязкость имеет жидкая углекислота – в 50 раз меньше вязкости воды. Все жидкие масла обладают значительно более высокую вязкость, чем вода. В таблице 6.2 приведены значения вязкости некоторых жидкостей.
Таблица 6.2 - Кинематическая и динамическая вязкость капельных жидкостей (при t = 20ºС)
Для определения величины динамической вязкости воздуха в системе МКГСС применяется формула Милликена
(6.5)
что даёт при t = 15ºС μ = 1,82·10-6 кгс·с/м2 (~ 1,82 · 10-5 Па·с). Наряду с понятием абсолютной или динамической вязкости в практической гидравлике находит применение понятие кинематической вязкости, представляющей собой отношение абсолютной вязкости к плотности жидкости:
ν = μ / ρ; (6.6)
Эта вязкость названа кинематической, так как в её размерности отсутствуют единицы силы. В самом деле, подставив размерность μ и ρ, получим:
[ν] = [L2/ T];
В международной системе единиц кинематическая вязкость измеряется в м2/с; единицей для измерения кинематической вязкости в системе CGS служит стокс, в честь английского физика Стокса: 1 Ст = 1 см2/с = 10-4 м2/с. Сотая часть стокса называется сантистоксом (сСт): = 1 м2с = 1·104 Ст = 1·106 сСт. Кинематическая вязкость газов зависит не только от температуры, но и от давления, возрастая с увеличением температуры и уменьшаясь с увеличением давления, смотри таблицу 6.3.
Таблица 6.3 - Значения кинематической вязкости ν и удельной газовой постоянной R для некоторых газов
Кинематическая вязкость воздуха для нормальных условий (температура 20ºС, давление ~ 1 ат) ν = μ/ρ = 1,57·10-5 м2/с, т.е. примерно в 15 раз больше, чем для воды при той же температуре. Это объясняется тем, что в знаменатель выражения для динамической вязкости 6.6 входит плотность, которая у газов значительно меньше, чем у капельных жидкостей. Экспериментально вязкость жидкостей определяют вискозиметрами. Для определения вязкости капельных жидкостей широкое распространение получил вискозиметр Энглера, который представляет собой сосуд, окружённый водяной ванной с водой определённой температуры.
Обозначения на рисунке 6.2 – вискозиметра Энглера: 1 - сосуд; 2 - водяная ванна, окружающая сосуд; 3 – латунная трубка, припаянная ко дну сосуда; 4 – термометр измеряющий температуру жидкости; 5 – Стопорный стержень, запирающий калиброванный насадок; Снизу стоит колба в которую сливают жидкость с измерением времени истечения. За вязкость по Энглеру принимается отношение времени tвж истечения 200 см3 испытуемой жидкости ко времени tв истечения того же объёма воды. Условная вязкость в градусах Энглера, которая обозначается обычно через «Э», определяется зависимостью: ºЭ = tвж/tв (6.7)
Для перехода от условной вязкости в градусах Энглера к кинематической вязкости применяют несколько эмпирических формул, например формула Убеллоде:
(6.8)
Кроме формулы Убеллоде применяется формула А.Д. Альтшуля:
(6.9)
В США и в Великобритании вязкость измеряется в секундах Сейболта (универсальные) и обозначается - "S и в секундах Редвуда (торговые) и обозначаются - "R, особенно для Великобритании, а Сейболта – для США. Поэтому, если встретится в источниках таблицы с пометами сСт - ºЭ и тут же "S ↔ "R, то не следует удивляться, а использовать при необходимости источники США и Великобритании – Англии. Капиллярные явления. Молекулы жидкости, расположенные у поверхности контакта с другой жидкостью, газом или твёрдым телом, находятся в условиях, отличных от условий внутри некоторого объёма жидкости. Внутри объёма жидкости молекулы окружены со всех сторон такими же молекулами, вблизи поверхности ситуация меняется, молекула окружена лишь с одной стороны, а с другой – граница твёрдого тела. Поэтому энергия поверхностных молекул отличается от энергии молекул в объёме на некоторую величину, называемой поверхностной энергией. Эта энергия пропорциональна площади поверхности раздела S: (6.10) Коэффициент пропорциональности σ, называемый коэффициентом поверхностного натяжения, зависит от природы соприкасания сред. Этот коэффициент можно представить в виде: (6.11) где F – сила поверхностного натяжения; l - длина линии, ограничивающей поверхность раздела границ.
Исходя из определения, σ имеет размерность энергии на единицу площади или силы на единицу длины. Для границы раздела вода – воздух при t = 20ºС коэффициент поверхностного натяжения σ = 0,073 Дж/м2, а для раздела ртуть – воздух, соответственно σ = 0,48 Дж/м2. Поверхностное натяжение жидкости чувствительно к чистоте жидкости и поверхности и к температуре. Вещества, способные в значительной степени снизить силы поверхностного натяжения, называются поверхностно - активными веществами (ПАВ). При повышении температуры величина поверхностного натяжения уменьшается, а в критической точке перехода жидкости в пар обращается в нулевое значение. Более подробные сведения о жидкостях и газах необходимо черпать из справочных таблиц свойств конкретных материалов и веществ в инженерных справочниках. Рисунок 6.3 - К определению краевого угла
На поверхности раздела трёх фаз, например, твёрдой стенки – 1, жидкости – 2 и газа – 3 между поверхностью жидкости и твёрдой стенкой образуется так называемый краевой угол Θ, на рисунке 6.3 это хорошо видно. Величина краевого угла зависит от природы соприкасающихся сред (от поверхностных натяжений на их границах) и не зависит ни от формы сосуда, ни от действия силы тяжести. Если край жидкости приподнят, её поверхность имеет вогнутую форму (рисунок 6.3 - а) – краевой угол острый. В этом случае жидкость смачивает твёрдую поверхность. Чем хуже смачивающая способность жидкости, тем больше краевой угол. При Θ > 90º жидкость считается несмачивающей, при полном несмачивании Θ = 180º. Капли такой жидкости как бы поджимаются, стараясь уменьшить площадь контакта с твёрдой поверхностью. От явления смачивания зависит поведение жидкости в тонких (капиллярных) трубках, погружённых в эту жидкость. В случае смачивания жидкость в трубке поднимается над уровнем свободной поверхности, в случае несмачивания наоборот опускается. Высота капиллярного поднятия (опускания) жидкости определяется по формуле: (6.12) где γ – удельный вес жидкости; r – радиус трубки.
Во всех явлениях, происходящих при совместном действии сил поверхностного натяжения и сил тяжести, значительную роль имеет капиллярная постоянная , входящая в выражение 6.12 и имеющая линейную размерность. Так, для воды при 20ºС капиллярная постоянная равна 0,0039 м.
Лабораторная работа по разделу 6 - № 34 «Вискозиметры» условно предназначена для раздела 4 «измерение расхода», так как необходимость изучения расхода связана с вязкостью жидкости и её приходится учитывать в комплексе различных расчётов при определении некоторых параметров жидкостей. Хотя это определение не является обязательным, однако может дать более объёмное понимание механизма взаимовлияния вязкости от температуры и размеров сопрягаемых зазоров в деталях машин.
34 Лабораторная работа № 34 Вискозиметры (Ознакомительная - как практическая работа)
На поверхностях раздела твердое тело – жидкость всегда создается пристенный слой жидкости, свойства которого отличаются от свойств объемной жидкой фазы вследствие действия поверхностных сил твердой подложки. В настоящее время достаточно подробно исследованы различные свойства жидкостей: теплоемкость, оптическая анизотропия, дихроизм, вязкость, но в меньшей мере изучены свойства связанные с вязкостью. Такой параметр как вязкость является наиболее важным физическим свойством смазочных материалов, поскольку её величина влияет на многие процессы в технике и, в частности, на износ различных механизмов. Настоящая лабораторная работа посвящена исследованию проблемы организации процессов трения и изнашивания, а именно определению вязкости масел, которые выступают в роли смазочного материала в узлах механизмов, а также влиянию введения в них поверхностно-активных веществ (ПАВ) на их свойства.
Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.009 сек.) |