Определение вязкости жидкости методом Пуазейля

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ

 МЕТОДОМ ПУАЗЕЙЛЯ

Задание: определить вязкость воды методом Пуазейля.

Приборы и принадлежности: установка для проведения измерений, мерный стакан, линейка, секундомер, штангенциркуль.

Элементы теории

Работа с обычными или дисперсными средами в виде аэрозолей, газовых эмульсий требует знаний о физических свойствах этих веществ. В промышленности, научной деятельности часто необходимо знать коэффициент вязкости жидкости. Например, определение вязкости жидкости имеет большое практическое значение в нефтеперерабатывающей промышленности, потому что транспортировка, переработка и добыча, нефти зависят от значений внутреннего трения жидкостной смеси. Вязкость определяет скорость течения жидкости при ее движении через узкие трубы и зазоры (в частности, в узлах трения), фильтры и осадки, а также при движении вдоль твердых стенок. Вязкость зависит от температуры и давления, состава жидкости  и количества растворенного в ней газа (например, кислорода в морской воде или крови). Так, для пластовых нефтей вязкость уменьшается с увеличением количества растворенного в них газа до критической точки – давления насыщения. Вязкость пластовой нефти, определяющая степень ее подвижности в пластовых условиях, также существенно меньше вязкости ее в поверхностных условиях. Это обусловлено повышенными газосодержанием и пластовой температурой. Давление оказывает небольшое влияние на изменение вязкости нефти в области выше давления насыщения. В пластовых условиях вязкость нефти может быть в десятки раз меньше вязкости дегазированной нефти. Вязкость зависит также от плотности нефти: легкие нефти менее вязкие, чем тяжелые.

Физическая природа явления вязкости. Для жидкостей характерна достаточно плотная упаковка молекул (об этом свидетельствует их малая сжимаемость). Поэтому каждая молекула, постоянно сталкиваясь с соседними молекулами, в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия. Время от времени молекула, получив от соседней молекулы достаточную энергию, скачком переходит в новое положение равновесия. Дальность этого скачка δ примерно равна размеру молекул (10-10 м). Среднее время <τ>, в течение которого молекула колеблется около данного положения равновесия, называется временем оседлой жизни молекулы. Расчеты показывают, что

<τ>=<τо>ехр[ΔЕ/(kТ)],                                          (1)

где <τо> – средний период колебаний молекулы; ΔЕ – минимальная энергия, которую нужно сообщить молекуле жидкости, чтобы она могла перейти из одного положения равновесия в другое (ΔЕ ~ 10–20 Дж); k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура жидкости. Для воды при комнатной температуре <τо> ~   10–13 с, а <τ> ~ 10–11 с. С повышением температуры подвижность молекул возрастает, время оседлой жизни уменьшается.

Явление вязкости связано с возникновением сил внутреннего трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными скоростями. Эти силы направлены по касательной к поверхности соприкасающихся слоев так, что ускоряют медленно движущиеся слои или замедляют быстро движущиеся. Причиной внутреннего трения является наложение хаотического теплового движения молекул на упорядоченное движение слоев жидкости с разными скоростями, приводящее к обмену молекулами между соседними слоями, в результате чего импульс быстро движущегося слоя уменьшается, а медленно движущегося – увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее. [pic 1]