粘度的測量(液體)PPT

1、液體粘度系數(shù)的測定在實(shí)際工作中有重大意義。水利、熱力工程中涉及水、石油、蒸汽、大氣等流體在管道中長距離輸送時的能量損耗；在機(jī)械工業(yè)中，各種潤滑油的選擇；化學(xué)上測定高分子物質(zhì)的分子量；醫(yī)學(xué)上分析血液的粘度等，都需要測定相應(yīng)液體的粘度。,實(shí)驗(yàn)一、液體的粘度的測量（落球法）,實(shí)驗(yàn)一、液體的粘度的測量（落球法）,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備及材料 實(shí)驗(yàn)簡介,實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)步驟 注意事項(xiàng) 思考與討論,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察液體的內(nèi)摩擦現(xiàn)象，學(xué)會用用落球法測量液體的粘滯系數(shù) 2. 掌握基本測量儀器使用，及正確合理地分析誤差。 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 用落球法測量蓖麻油的粘滯系數(shù) 三、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn) 1.學(xué)習(xí)

2、用落球法測量蓖麻油的粘度的原理和方法。 2.設(shè)計(jì)尋找小球勻速下降區(qū)的方法，測出其長度 3.M個同類小球盡量找直徑比較接近的。 四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備及材料： 玻璃圓筒（高約50cm，直徑約5cm），溫度計(jì)，分析天平，螺旋測微計(jì)，游標(biāo)卡尺，米尺，小球（兩種各10個，直徑12mm），停表，鑷子，待測液體（蓖麻油）。,五、實(shí)驗(yàn)簡介 當(dāng)一種液體相對于其他固體、氣體運(yùn)動，或同種液體內(nèi)各部分之間有相對運(yùn)動時，接觸面之間在摩擦力。這種性質(zhì)稱為液體的粘滯性。粘滯力的方向平行于接觸面，且使速度較快的物體減速，其大小與接觸面面積以及接觸面處的速度梯度成正比，比例系數(shù)稱為粘度。表征液體粘滯性的強(qiáng)弱，測定可以有以下幾種

3、方法:(1)泊肅葉法,通過測定在恒定壓強(qiáng)差作用下，流經(jīng)一毛細(xì)管的液體流量來求;(2)轉(zhuǎn)筒法，在兩筒軸圓筒間充以待測液體，外筒作勻速轉(zhuǎn)動，測內(nèi)筒受到的粘滯力矩;(3)阻尼法，測定扭擺、彈簧振子等在液體中運(yùn)動周期或振幅的改變;(4)落球法，通過測量小球在液體中下落的運(yùn)動狀態(tài)來求。 對液體粘滯性的研究在物理學(xué)、化學(xué)化工、生物工程、醫(yī)療、航空航天、水利、機(jī)械潤滑和液壓傳動等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。,六、實(shí)驗(yàn)原理 1、 斯托克斯公式的簡單介紹 小球以速度 在均勻的無限寬廣的液體中運(yùn)動時，若速度不大，球也不大，在液體不產(chǎn)生湍流的情況下，斯托克指出，球在液體中所受到的阻力F為 （1） 式中F是小球所受到的粘滯阻力

4、，是小球的下落速度，r是小球的半徑， 是液體的粘度，在SI制中，的單位是 .斯托克斯公式是由粘滯液體的普遍運(yùn)動方程導(dǎo)出的。,當(dāng)質(zhì)量為m、體積為V的小球在密度為 的液體中下落時，小球受到三個力的作用：重力、浮力和粘滯阻力。這三個力作用在一鉛直線上，重力向下，浮力和阻力向上。球剛開始下落時，速度很小，阻力不大，球做加速運(yùn)動。隨著速度的增加，阻力逐漸加大，速度達(dá)到一定的值時，阻力和浮力之和等于重力，此時物體運(yùn)動的加速度等于零，小球開始勻速下落（此時的速度稱為終極速度），即 （2） 把體積 代入，得：,2、雷諾數(shù)的影響 液體各層間相對運(yùn)動速度較小時，呈現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動狀態(tài)，如果給不同層內(nèi)的液體添加不同色素

5、，就可以看到一層層顏色不同的液體互不相擾地流動，這種運(yùn)動狀態(tài)叫層流。如果各層間相對運(yùn)動較快，就會破壞這種層流，逐漸過渡到湍流，甚至出現(xiàn)漩渦。為了表征液體運(yùn)動狀態(tài)的穩(wěn)定性，我們定義一個無量綱的參數(shù)雷諾數(shù)Re： （3） 式中 、 為流體密度和粘度， 、 為流場的特征速度和特征長度。對外流問題， 、 一般取遠(yuǎn)前方來流速度和物體主要尺寸(如機(jī)翼展長或圓球直徑)。,當(dāng) 時，液體處于層流狀態(tài)， 當(dāng) 時，呈現(xiàn)湍流狀態(tài)， Re介于上述兩值之間，則為層流、湍流過渡階段。 在此采用落球法的實(shí)驗(yàn)中，特征長度L取圓球直徑2r，雷諾數(shù)為 （4）,奧西思-果爾斯公式反映出了液體運(yùn)動狀態(tài)對斯托克斯公式的影響： （5） 式中

6、 項(xiàng)和 項(xiàng)可以看作斯托克斯公式的第一和第二修正項(xiàng)。如Re=0.1，則零級解與一級解相差約2%，二級修正項(xiàng)約為 ，可略去不計(jì)；如Re=0.5，則零級與一級解相差約10%，二級修正項(xiàng)約0.5%仍可略去不計(jì)；但當(dāng)Re=1時，則二級修正項(xiàng)約2%，隨著Re的增大，高次修正項(xiàng)的影響變大。,3、 容器壁的影響 在一般情況下，小球（半徑為r，直徑為d）在容器內(nèi)直半徑為D、液體高度為H的液體內(nèi)下落，液體在各方向上是無限廣闊的這一假設(shè)條件是不能成立的。由于液體在容器中，而不滿足無限寬的條件，所以實(shí)際測得的速度 和上述式中的理想條件下的速度 之間存在如下的關(guān)系： 因此，考慮到容器壁的影響，式（5）變?yōu)椋?（6）,4

7、、 的表示 前面討論了粘滯阻力F與小球的速度、幾何尺寸、液體的密度、雷諾數(shù)、粘度等參量之間的關(guān)系，但在一般情況下粘滯阻力F是很難測定的。因此，還是很難得到粘度 。為此，考慮一種特殊情況：小球在液體中下落時，重力方向向下，而浮力和粘滯阻力向上，阻力隨著小球速度的增加而增加。顯然，小球從靜止開始做加速運(yùn)動，當(dāng)小球的下落速度達(dá)到一定值時，這三個力的合力等于零，這時小球?qū)⒁詣蛩傧侣?，由式?）和式（2）得：,令小球的質(zhì)量 （ 為小球的密度），代入上式，得： (7) 假設(shè)這小球勻速運(yùn)動的距離為 ，小球通過所用的時間 為t ， 則小球勻速下落的速度 ，代入（7）式，得： (8),由對Re的討論，我們得到以

8、下三種情況： （1）當(dāng)Re0.1 時，可以取零級解，則式（8）就成為 (9) 即為小球直徑和速度都很小時，粘度 的零級近似值。 （2） 0.1Re0.5 時，可以取一級近似解，式（8）就成為 （10) 它可以表示成零級近似解的函數(shù)：,(3)當(dāng) Re0.5時，還必須考慮二級修正，則式（8）變成 (11) 或 在實(shí)驗(yàn)完成后，做數(shù)據(jù)處理時，必須對 Re 進(jìn)行驗(yàn)算，確定它的范圍并進(jìn)行修正，得到符合實(shí)驗(yàn)要求的粘度值。,七、實(shí)驗(yàn)步驟 本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是測量筒內(nèi)的蓖麻有的粘度. 1將裝有蓖麻油的圓筒，調(diào)整其中心軸鉛直。 2. 測出蓖麻油的密度 和實(shí)驗(yàn)前油的溫度。 3. 用分析天平測出這10個大小相同的小鋼球的質(zhì)

9、量，并 編號待用。 4. 用螺旋測微計(jì)測出10個小鋼球的直徑d。 5. 用鋼卷尺量出測出油的深度H, 測 5次。 6. 用游標(biāo)卡尺從不同位置分別測量玻璃圓筒的內(nèi)直徑 D，各5次。 7.在蓖麻油筒中部取一段，上下端各固定一標(biāo)線 、 并通過測試或計(jì)算使小球勻速過標(biāo)線 和 ，用鋼卷 尺測出 和 之間的距離（5次，取平均）。,8用鑷子分別夾起每個小球，先在油中浸一下，然后放 入圓形油面中心，讓其自由下落，用秒表測出每個小 球勻速經(jīng)過路程 所用時間 。 9. 由公式 計(jì)算小球勻速下落時的速度，求這10 次速度的平均速度 。 10. 把小球平均速度代入 計(jì)算理想狀態(tài) 的粘度 。 11. 把理想狀態(tài)的粘度

10、代入 ，這里 ， 計(jì)算雷諾數(shù)Re。 12.根據(jù)Re大小，應(yīng)用式(9)(10)(11)，算出油的粘度。 13. 測出實(shí)驗(yàn)后油的溫度，油的溫度取實(shí)驗(yàn)前后平均值。 14. 計(jì)算處蓖麻油的粘滯系數(shù)及其測量結(jié)果的不確定度。,粘滯系數(shù)及其測量結(jié)果的不確定度： 在計(jì)算不確定度時把 當(dāng)常數(shù)處理。即 則,15.數(shù)據(jù)記錄表格 （1）H ， ，D，d的測量,（2）小球的質(zhì)量m、小球的下落經(jīng)過 的時間t,八 、注意 1. 量筒內(nèi)的待測油需經(jīng)長時間的靜止放置，以排除氣泡。 2要使液體始終保持靜止?fàn)顟B(tài)，再實(shí)驗(yàn)過程中不可撈取小球擾動液體。 3小球應(yīng)沿玻璃圓筒的中心軸線垂直下落 4小球下落時應(yīng)輕而穩(wěn)，不要使小球上附著氣泡 5觀察小球通過 、 位置時，眼睛應(yīng)與小球處于水平位置 九、思考題 1斯托克斯公式的應(yīng)用條件是什么？本實(shí)驗(yàn)是怎樣去滿 足這些條件的？又如何進(jìn)行修正的？ 2在一定的液體中，若減小小球直徑，它下落的收尾速 度怎樣變化?減小小球密度呢?,3如何判斷小球已進(jìn)入勻速運(yùn)動階段？若實(shí)驗(yàn)中未給出 兩標(biāo)號線的位置，怎樣確