ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ВИСКОЗИМЕТРЫ?

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ВИСКОЗИМЕТРЫ?

Пирова Я.О. 1
1МБОУ "Черлакская СОШ №1"
Милютина Е.В. 1
1МБОУ "Черлакская СОШ №1"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение

Моя мама фармацевт. Однажды она сказала, что в аптеку привезли вискозиметры. Я спросила: «А для чего нужны вискозиметры?». Мама ответила, что для определения вязкости смесей и мазей. В школе такого прибора нет, и про вязкость мы ещё не изучали. Поэтому обратившись к сети Интернет, я узнала, что посредством специализированного прибора вискозиметра измеряется время истечения жидкостей и газов для дальнейшей оценки вязкости. Обусловленные широтой и разнообразием областей применения, необходимость и практическая ценность вискозиметра неоспоримы. Существуют как стандартные, так и узкоспециализированные модели, разработанные исключительно для применения в конкретной области. Вискозиметры применяют для:

  • измерения динамической вязкости;

  • измерения вязкости растворов;

  • диагностических и экспериментальных исследований;

  • точности подбора материалов для смесей, растворов, покрытий;

  • определения качества масел, жидкостей, продуктов и пр.;

  • расчета иных реологических характеристик.

Какая большая область применения! Конечно, мне захотелось больше узнать и о приборе, и как определить вязкость жидкости.

Цель исследования – с помощью самодельного вискозиметра определить коэффициент динамической вязкости жидкости

Задачи исследования:

  • Изучить дополнительную литературу по данной теме

  • Изучить явление внутреннего трения в жидкостях

  • Экспериментально определить коэффициент внутреннего трения жидкостей: воды, сахарного сиропа, рафинированного масла

  • Исследовать зависимость коэффициента внутреннего трения от температуры

  • Сравнить полученные значения коэффициента внутреннего трения с табличными значениями

Объект исследования: вискозиметр

Предмет исследования: коэффициент динамической вязкости жидкости

Методы: исследование, эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.

Основная часть

2.1Разновидности и сферы применения вискозиметров

Вязкость – характеристика, которая определяет величину трения слоев внутри жидкости. То есть сопротивление между молекулами вещества при их движении. Чем меньше вязкость, тем более текучей является жидкость. Измерение вязкости проводится при помощи специальных аппаратов –вискозиметров. Лабораторное оборудование и приборы для определения вязкости выбирают исходя из свойств и температуры исследуемой пробы, а также необходимой точности испытания.

Виды вискозиметров:

• капиллярные;

• ротационные;

• вибрационные;

• ультразвуковые;

• приборы с падающим шариком.

Области применения вискозиметров чрезвычайно разнообразны. В медицине используются капиллярные вискозиметры . Так, например, острую актуальность имеет измерение вязкости человеческой крови. При тяжелой физической работе увеличивается вязкость крови. Многие инфекционные заболевания увеличивают вязкость, другие, например, брюшной тиф и туберкулез - значительно уменьшают. Любое изменение вязкости крови сказывается на РОЭ. Определение вязкости крови во взаимосвязи с рядом других анализов позволяет объективно оценить состояние человеческого организма. Вязкость крови в лабораторных условиях может быть определена и при помощи метода падающего шарика вискозиметрии. В фармацевтических лабораториях вискозиметры используются при изготовлении лекарственных препаратов, патоки, мазей. В нефтяной промышленности используются как ротационные вискозиметры , так и полевые чашечные капиллярные вискозиметры, позволяющие с достаточной степенью точности определить вязкие свойства нефти. В химической промышленности и металлургии широко распространены универсальные, высокотемпературные вискозиметры, позволяющие оперировать со средами в широком диапазоне температур от -60 °C до 2600 °C. В строительстве, а в первую очередь, в малярном деле, где специалист каждый день работает с лаками и красками, необходимо точно знать вязкость покрасочного материала для высококачественного результата работы. Ориентируясь на показания вискозиметра, мастер отмеряет необходимое количество растворителя. Также, с помощью специального технического вискозиметра определяют жесткость бетонной смеси.

В кулинарии и пищевой промышленности, к примеру, важно значение динамической вязкости расплавленного шоколада для идеального смешивания и покрытия продуктов. Соусы и подливы должны легко вытекать, но не растекаться по посуде.

2.2 Явление внутреннего трения в жидкостях

Вязкость (внутреннее трение) – это свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Во всех реальных жидкостях (газах) при перемещении одних слоев относительно других возникают силы трения. Со стороны слоя, движущегося более быстро, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на более быстрый слой действует тормозящая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.

Для явления внутреннего трения справедлив закон Ньютона (1687 г.):

η − коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости).

Единицей динамической вязкости в СИ является паскаль – секунда (Па⋅с).

Коэффициент динамической вязкости зависит от температуры, причем

характер этой зависимости существенно различается для жидкостей и газов. С повышением температуры коэффициент вязкости у жидкостей сильно уменьшается, а у газов, напротив, возрастает.

Наблюдается два вида течения жидкости (газа). В одних случаях жид-

кость как бы разделяется на слои, которые скользят относительно друг друга,

не перемешиваясь. Такое течение называется ламинарным (слоистым).

Используемый в этой работе метод Пуазейля [2] основан на

ламинарном течении жидкости в тонком капилляре и позволяет измерить ее

вязкость по объему вытекшей жидкости.

Согласно формуле Пуазейля, объем жидкости V, протекающий по капилляру длиной l и диаметром d за время t при разности давлений ΔР на концах капилляра, определяется следующим образом:

V=,

Коэффициент динамической вязкости η, как следует из формулы Пуазей-

ля, определяется по формуле:

=

Исследование

3.Определение коэффициента внутреннего трения жидкости

Для изготовления вискози­метра необходимо взять пла­стиковую бутылку объёмом 1,5-2 литра. Крышку с бутылки нужно снять.

В качестве трубки, где будет оп­ределяться величина внутрен­него трения жидкости, можно взять пус­той стержень от шариковой ручки длиной примерно 70 мм. Эту трубку нужно вставить в шприц объёмом 1 мл, а у противоположного конца шприца сделать отверстие. Перед установкой стержня необхо­димо оп­ределить его линейные размеры: длину l и внутренний диаметр d.

При такой компоновке деталей поршень шприца будет работать как запорный кран. А теперь этот шприц нужно вставить в бутылку через резинку. В таком виде прибор готов к работе.

В большинстве случаев измерение в вискозиметрах основано на наблюдении истечения жидкости, скорость которой зависит от вязкости по известному закону Пуазейля:

V=,

где – объем жидкости, протекающей в единицу времени через капилляр радиусомrпод действием разности давлений при длине трубки .

Кроме прибора для выполне­ния эксперимента понадобятся мензурка и секундомер.

3.1Определение коэффициента внутреннего трения воды при температуре

  1. нальём полную бутылку воды; крышку при этом нужно оставить снятой;

  2. установим изготовленный прибор на подставку так, чтобы под кран можно было подставить мензурку;

  3. определим высоту жидкости h1 от уровня трубки;

  4. откроем кран и с помощью секундомера определим время t вытекания некоторого объема воды (70 мл);

  5. после окончания измерений определим высоту жидкости h2;

  6. по данным измерений найдём величину разности давлений:

  1. определим объём жидкости, протекающий через капилляр в единицу времени:

  1. определи коэффициент вязкости жидкости η:

=,

результаты занесём в таблицу:

70мм , 0,5мм

Температура воды была определена с помощью мобильной естественно- научной лаборатория (ЛабДиск- мультисенсорный регистратор данных)

 

h1,мм

h2,мм

Δp,Па

V0, м3

t,сек

V3

η,

Па·с

ηср,

Па·с

1

220

180

2000

70*10-6

55

1,3*10-6

0,029

 

2

220

190

2050

70*10-6

60

1,2*10-6

0,035

0,029

3

220

185

2025

70*10-6

50

1,4*10-6

0,025

 

Температура воды

 

h1,мм

h2,мм

Δp,Па

V0, м3

t,сек

V3

η,

Па·с

ηср,

Па·с

1

220

190

2050

70*10-6

23

3*10-6

0,011

 

2

220

185

2025

70*10-6

25

2,8*10-6

0,013

0,012

3

220

190

2050

70*10-6

24

2,9*10-6

0,012

 

Вывод: С увеличением температуры воды коэффициент вязкости уменьшается.

3.2 Определение коэффициента внутреннего трения сахарного сиропа при температуре

 

h1,мм

h2,мм

Δp,Па

V0, м3

t,сек

V3

η,

Па·с

ηср,

Па·с

1

220

190

2050

70*10-6

55

1,27*10-6

0,03

 

2

220

190

2050

70*10-6

53

1,3*10-6

0,029

0,03

3

220

190

2050

70*10-6

57

1,22*10-6

0,033

 

Вывод: при увеличении плотности вещества коэффициент внутреннего трения увеличивается.

3.3 Определение коэффициента внутреннего трения подсолнечного масла

 

h1,мм

h2,мм

Δp,Па

V0, м3

t,сек

V3

η,

Па·с

ηср,

Па·с

1

110

100

1050

10*10-6

600

0,016*10-6

13,8

 

2

110

100

1050

10*10-6

550

0,018*10-6

11,2

12,4

3

110

100

1050

10*10-6

570

0,017*10-6

12,3

 

Вывод: при увеличении плотности вещества коэффициент внутреннего трения увеличивается.

3.4 Сравнение с табличным результатом

Жидкость

Температура жидкости,0С

η,

Па·с

η табл.

Па·с

вода

220С

0,029

0,001

вода

550С

0,012

0,0005

сахарный сироп

400С

0,03

 

подсолнечное масло

220С

12,4

1,1

Вывод: сравнивая с табличными значениями коэффициент вязкости, полученный нами, очень отличается. Это объясняется тем, что опыты проводились не в идеальных условиях. Капилляр- простая трубка от ручки, в которой находилось немного чернил на стенках, что наверно ускорило движение жидкости.

Заключение

Тема вискозиметрии и её методов мало распространена и фактически не упоминается в повседневной жизни, но, по истине, прибор вискозиметр занимает достойное место в списке гениальных изобретений человечества. Отдельной статьи заслуживают высокотемпературные промышленные вискозиметры и высокоточные вискозиметры.

Проанализировав все полученные и обработанные в таблицах результаты, можно сделать некоторые выводы.

Выводы:

1. Коэффициент вязкости жидкости весьма сильно зависит от температуры.

С увеличением температуры вязкость жидкостей резко падает.

2. Чем больше скорость равномерного движения, тем меньше коэффициент вязкости.

3. Вязкость – измерение внутреннего трения жидкости. Это трение возникает между слоями жидкости при ее движении. Чем больше трение, тем больше силы необходимо приложить, чтобы вызвать движение («сдвиг»).

Сдвиг имеет место при физическом перемещении или разрушении жидкости: разливе, растекании, разбрызгивании, перемешивании и т.п. Для сдвига жидкостей с высокой вязкостью необходимо приложить больше силы, чем для маловязких материалов.

4. Измерение вязкости жидкости имеет важную роль в нашей повседневной жизни. Предположим, наша кровь слишком густая, то может возникнуть тромба и вызвать сердечный приступ или инсульт, или если кровь слишком жидкая, может начаться кровотечение, остановить которое бывает сложно в течение нескольких часов. Врачи должны знать о вязкости нашей крови при выполнении операций.

С другой стороны, при конструировании химического завода мы разрабатываем систему распределения воды по городской системе водоснабжения. Учитывая средний спрос на воду для города на любой данный момент времени, мы должны знать вязкость воды, каким будет водный поток? Каково давление в трубах? Какие размеры труб будут нужны для строительства? Может ли труба выдержать давление? Все это зависит от вязкости воды. Проблема становится еще более сложной в разработке химических заводов, где много разных жидкостей, кроме воды, и их вязкость должна также учитываться.

При транспортировке нефти по трубам необходимо учитывать вязкость нефти и зависимость этой величины от температурного режима в течении года.

Литература

  1. Газета «Физика-Первое сентября» №4, 2011г

  2. Савельев И.В. Курс общей физики- М.: Наука, 1982г

  3. Яворский Б.М. Физика для школьников старших классов и поступающих в вузы. М.: Дрофа, 2007г

  4. http://remoskop/ru

  5. http://www.viskozimetr.ru

15

Просмотров работы: 1449