粘度的測(cè)量(液體)

液體粘度系數(shù)的測(cè)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(zhǎng)距離輸送時(shí)的能量損耗；在機(jī)械工業(yè)中，各種潤(rùn)滑油的選擇；化學(xué)上測(cè)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(cè)定相應(yīng)液體的粘度。實(shí)驗(yàn)一、液體的粘度的測(cè)量（落球法）1精選完整ppt課件實(shí)驗(yàn)一、液體的粘度的測(cè)量（落球法）實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?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(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)步驟注意事項(xiàng)思考與討論2精選完整ppt課件一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察液體的內(nèi)摩擦現(xiàn)象，學(xué)會(huì)用用落球法測(cè)量液體的粘滯系數(shù)2.掌握基本測(cè)量?jī)x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(cè)量蓖麻油的粘滯系數(shù)三、實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)

1.

學(xué)習(xí)用落球法測(cè)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(cè)出其長(zhǎng)度

3.

M個(gè)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(cè)微計(jì)，游標(biāo)卡尺，米尺，小球（兩種各10個(gè)，直徑1～2mm），停表，鑷子，待測(cè)液體（蓖麻油）。

3精選完整ppt課件4精選完整ppt課件

五、實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

當(dāng)一種液體相對(duì)于其他固體、氣體運(yùn)動(dòng)，或同種液體內(nèi)各部分之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(cè)定可以有以下幾種方法:(1)泊肅葉法,通過測(cè)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(cè)液體，外筒作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)內(nèi)筒受到的粘滯力矩;(3)阻尼法，測(cè)定扭擺、彈簧振子等在液體中運(yùn)動(dòng)周期或振幅的改變;(4)落球法，通過測(cè)量小球在液體中下落的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來求。對(duì)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(rùn)滑和液壓傳動(dòng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。5精選完整ppt課件

六、實(shí)驗(yàn)原理

1、斯托克斯公式的簡(jiǎn)單介紹

小球以速度在均勻的無限寬廣的液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，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，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(dòng)方程導(dǎo)出的。

6精選完整ppt課件

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(shí)，小球受到三個(gè)力的作用：重力、浮力和粘滯阻力。這三個(gè)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(shí)，速度很小，阻力不大，球做加速運(yùn)動(dòng)。隨著速度的增加，阻力逐漸加大，速度達(dá)到一定的值時(shí)，阻力和浮力之和等于重力，此時(shí)物體運(yùn)動(dòng)的加速度等于零，小球開始勻速下落（此時(shí)的速度稱為終極速度），即（2）把體積代入，得：7精選完整ppt課件

2、雷諾數(shù)的影響

液體各層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，呈現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果給不同層內(nèi)的液體添加不同色素，就可以看到一層層顏色不同的液體互不相擾地流動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)叫層流。如果各層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)較快，就會(huì)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(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定性，我們定義一個(gè)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(chǎng)的特征速度和特征長(zhǎng)度。對(duì)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(zhǎng)或圓球直徑)。8精選完整ppt課件

當(dāng)時(shí)，液體處于層流狀態(tài)，當(dāng)時(shí)，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(zhǎng)度L取圓球直徑2r，雷諾數(shù)為

（4）9精選完整ppt課件

奧西思-果爾斯公式反映出了液體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)斯托克斯公式的影響：

（5）式中項(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(jí)解與一級(jí)解相差約2%，二級(jí)修正項(xiàng)約為，可略去不計(jì)；如Re=0.5，則零級(jí)與一級(jí)解相差約10%，二級(jí)修正項(xiàng)約0.5%仍可略去不計(jì)；但當(dāng)Re=1時(shí)，則二級(jí)修正項(xiàng)約2%，隨著Re的增大，高次修正項(xiàng)的影響變大。10精選完整ppt課件

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(cè)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?/p>

（6）11精選完整ppt課件4、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(cè)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(shí)，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(dòng)，當(dāng)小球的下落速度達(dá)到一定值時(shí)，這三個(gè)力的合力等于零，這時(shí)小球?qū)⒁詣蛩傧侣洌墒剑?）和式（2）得：12精選完整ppt課件令小球的質(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(dòng)的距離為，小球通過所用的時(shí)間為t，則小球勻速下落的速度，代入（7）式，得：

(8)13精選完整ppt課件

由對(duì)Re的討論，我們得到以下三種情況：（1）

當(dāng)Re<0.1時(shí)，可以取零級(jí)解，則式（8）就成為

(9)即為小球直徑和速度都很小時(shí)，粘度的零級(jí)近似值。（2）

0.1<Re<0.5

時(shí)，可以取一級(jí)近似解，式（8）就成為（10)

它可以表示成零級(jí)近似解的函數(shù)：

14精選完整ppt課件

(3)當(dāng)Re>0.5時(shí)，還必須考慮二級(jí)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(shí)，必須對(duì)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。

15精選完整ppt課件七、實(shí)驗(yàn)步驟

本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是測(cè)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(cè)出蓖麻油的密度和實(shí)驗(yàn)前油的溫度。3.用分析天平測(cè)出這10個(gè)大小相同的小鋼球的質(zhì)量，并編號(hào)待用。4.用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)出10個(gè)小鋼球的直徑d。5.用鋼卷尺量出測(cè)出油的深度H,測(cè)5次。6.用游標(biāo)卡尺從不同位置分別測(cè)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(cè)試或計(jì)算使小球勻速過標(biāo)線和，用鋼卷尺測(cè)出和之間的距離（5次，取平均）。

16精選完整ppt課件8．用鑷子分別夾起每個(gè)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(cè)出每個(gè)小球勻速經(jīng)過路程所用時(shí)間。9.

由公式計(jì)算小球勻速下落時(shí)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(cè)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(cè)量結(jié)果的不確定度。

17精選完整ppt課件

粘滯系數(shù)及其測(cè)量結(jié)果的不確定度：在計(jì)算不確定度時(shí)把當(dāng)常數(shù)處理。即則18精選完整ppt課件15.數(shù)據(jù)記錄表格（1）H，，D，d的測(cè)量1次2次3次4次5次平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差HDd19精選完整ppt課件（2）小球的質(zhì)量m、小球的下落經(jīng)過的時(shí)間t小球1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)…10號(hào)平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差m20精選完整ppt課件八、注意1.量筒內(nèi)的待測(cè)油需經(jīng)長(zhǎng)時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)，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