Теоретическое обоснование. ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение зависимости кинематического коэффициента вязкости жидкости от ее температуры

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - изучение зависимости кинематического коэффициента вязкости жидкости от ее температуры.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ - определение кинематического коэффициента вязкости нефтепродукта при помощи вискозиметра Энглера.

Теоретическое обоснование

Вязкость - основное свойство реальной жидкости, заключающееся в том, что при ее движении возникает сопротивление относительному смещению слоев частиц жидкости, вызывающему деформацию сдвига. Сила сопротивления сдвигу называется силой внутреннего трения. При прямолинейном ла­минарном (слоистом) движении жидкости сила внутреннего трения между смещающимися один относительно другого слоями выражается формулой Ньютона (1687г.), экспериментально обоснованной
Н.П. Петровым (1883 г.):

, (1.1)

где – площадь слоя, по которому происходит сдвиг;

– поперечный градиент скорости движения, выражающий скорость угловой деформации при сдвиге (скорость сдвига);

– динамический коэффициент вязкости, количественно характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев.

Знак "±" выбирается в зависимости от знака градиента скорости так, чтобы сила была положительной.

Величина называется текучестью и определяется по формуле:

. (1.2)

Согласно формуле (1.1) динамический коэффициент вязкости , Н×с/м² численно равен тангенциальной силе (на единицу площади), необходимой для поддержания разности скоростей, равной единице, между двумя параллельными слоями жидкости, расстояние между которыми равно единице:

. (1.3)

Из этого определения следует, что в Международной системе единиц единица имеет размерность Н×с/м², в СГС – дин×с/м² или П (пуаз). В технической системе единиц имеет размерность кгс×с/м². Соотношение между указанными единицами измерения величины :

1 Па×с = 0,102 кгс×с/м² = 10 П.

Зависимость , Н×с/м² от давления проявляется только при росте давления свыше 10-15 МПа, при этом вязкость увеличивается.

Изменение температуры существенно влияет на вязкость. При этом с ростом температуры вязкость капельных жидкостей уменьшается, а газов - увеличивается. Рост температуры приводит к более хаотическому движению молекул, что у капельных жидкостей уменьшает связь между частицами, а у газов приводит к более частому соударению.

Зависимость динамического коэффициента вязкости от температуры в большинстве случаев определяется по эмпирическим формулам. Так, для чистой пресной воды пользуются формулой Пуазейля:

, (1.4)

где – плотность воды, г/см³ при температуре ,°C.

Для воздуха зависимость , Н×с/м² от , °C можно определить по формуле Милликена:

. (1.5)

В практических расчетах часто пользуются кинематическим коэффициентом вязкости , м²/с определяемым по формуле:

, (1.6)

(отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости ), который назван так, поскольку в его размерности отсутствуют единицы силы.

Размерность кинематического коэффициента вязкости в Международной системе единиц СИ м²/с, в системе СГС – см²/с (Ст – стокс).

1 м²/с=1×10⁴ Ст=1×10⁶ сСт (сантистокс).

Согласно определению кинематического коэффициента физический смысл , м²/с – работа, которую необходимо совершить при относительном движении слоев жидкости для единицы массового расхода.

Величина , м²/с зависит только от физических свойств жидкости и не зависит от условий ее движения.

Динамический и кинематический коэффициенты вязкости определяют опытным путем при помощи вискозиметров. Наиболее распространены вискозиметры капиллярные, ротационные, с падающим шариком, ультразвуковые, позволяющие выразить результаты измерений в единицах динамического и кинематического коэффициентов вязкости. Кроме указанных существуют вискозиметры для измерения вязкости в условных единицах. Например, с помощью вискозиметров типа ВУ (Энглера), предназначенных для исследования нефтепродуктов, вязкость выражают в градусах Энглера – отношение времени истечения исследуемой жидкости через калиброванный капилляр ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20 °С (293 К). Градиент определяется по формуле:

. (1.7)

Известны также вискозиметры Сейболта, Редвуда, Оствальда.

Кинематический коэффициент вязкости жидкости на основании измерений вискозиметром Энглера определяется при помощи эмпирической формулы Убеллоде:

. (1.8)

Следует иметь в виду, что формула (1.3) не находится в полном соответствии с экспериментом, что объясняется отсутствием точной теории вискозиметра.