Методы измерения вязкости жидкости кратко

Обновлено: 04.07.2024

1. Метод Стокса (Дж. Стокс (1819—1903) — английский физик и математик). Этот метод определения вязкости основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы.

На шарик, падающий в жидкости вертикально вниз, действуют три силы: сила тяжести ( — плотность шарика), сила Архимеда ( — плотность жидкости) и сила сопротивления, эмпирически установленная Дж. Стоксом: где — радиус шарика, v — его скорость. При равномерном движении шарика

Измерив скорость равномерного движения шарика, можно определить вязкость жидкости (газа).

2. Метод Пуазейля (Ж. Пуазейль (1799—1868) — французскии физиолог и физик). Этот метод основан на ламинарном течении жидкости в тонком капилляре. Рассмотрим капилляр радиусом R и длиной . В жидкости мысленно выделим цилиндрический слой радиусом и толщиной dr (рис. 54).

Сила внутреннего трения (см. (31.1)), действующая на боковую поверхность этого слоя,

где dS — боковая поверхность цилиндрического слоя; знак минус означает, что при возрастании радиуса скорость уменьшается.

Для установившегося течения жидкости сила внутреннего трения, действующая на боковую поверхность цилиндра, уравновешивается силой давления, действующей на его основание:

После интегрирования, полагая, что у стенок имеет место прилипание жидкости, т. е. скорость на расстоянии R от оси равна нулю, получим

Отсюда видно, что скорости частиц жидкости распределяются по параболическому закону, причем вершина параболы лежит на оси трубы (см. также рис.53).

За время t из трубы вытечет жидкость, объем которой

Измерив скорость равномерного движения шарика, можно определить вязкость жидкости (газа).

Сила внутреннего трения (см. (31.1)), действующая на боковую поверхность этого слоя,

Вязкость жидкости – это свойство реальных жидкостей оказывать сопротивление касательным усилиям (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена при покое жидкости, так как она проявляется только при её движении. Для правильной оценки таких гидравлических сопротивлений, возникающих при движении жидкости, необходимо прежде всего установить законы внутреннего трения жидкости и составить ясное представление о механизме самого движения.

Содержание статьи

Физический смысл вязкости

Для понятия физической сущности такого понятия как вязкость жидкости рассмотрим пример. Пусть есть две параллельные пластинки А и В. В пространство между ними заключена жидкость: нижняя пластинка неподвижна, а верхняя пластинка движется с некоторой постоянной скоростью υ₁

Как при этом показывает опыт, слои жидкости, непосредственно прилегающие к пластинкам (так называемые прилипшие слои), будут иметь одинаковые с ним скорости, т.е. слой, прилегающий к нижней пластинке А, будет находиться в покое, а слой, примыкающий к верхней пластинке В, будет двигаться со скоростью υ₁.

Промежуточные слои жидкости будут скользить друг по другу, причем их скорости будут пропорциональны расстояниям от нижней пластинки.

Ещё Ньютоном было высказано предположение, которое вскоре подтвердилось опытом, что силы сопротивления, возникающие при таком скольжении слоев, пропорциональны площади соприкосновения слоев и скорости скольжения. Если взять площадь соприкосновения равной единице, это положение можно записать в виде

где τ – сила сопротивления, отнесенная к единице площади, или напряжение трения

μ – коэффициент пропорциональности, зависящий от рода жидкости и называемый коэффициентом абсолютной вязкости или просто абсолютной вязкостью жидкости.

Величину dυ/dy – изменение скорости в направлении, нормальном к направлению самой скорости, называют скоростью скольжения.

Таким образом вязкость жидкости – это физическое свойство жидкости, характеризующее их сопротивление скольжению или сдвигу

Вязкость кинематическая, динамическая и абсолютная

Теперь определимся с различными понятиям вязкости:

Динамическая вязкость. Единицей измерения этой вязкости является паскаль в секунду (Па*с). Физический смысл состоит в снижении давления в единицу времени. Динамическая вязкость характеризует сопротивление жидкости (или газа) смещению одного слоя относительно другого.

Динамическая вязкость зависит от температуры. Она уменьшается при повышении температуры и увеличивается при повышении давления.

Кинематическая вязкость. Единицей измерения является Стокс. Кинематическая вязкость получается как отношение динамической вязкости к плотности конкретного вещества.

Определение кинематической вязкости производится в классическом случае измерением времени вытекания определенного объема жидкости через калиброванное отверстие при воздействии силы тяжести

Абсолютная вязкость получается при умножении кинематической вязкости на плотность. В международной системе единиц абсолютная вязкость измеряется в Н*с/м2 – эту единицу называют Пуазейлем.

Коэффициент вязкости жидкости

В гидравлике часто используют величину, получаемую в результате деления абсолютной вязкости на плотность. Эту величину называют коэффициентом кинематической вязкости жидкости или просто кинематической вязкостью и обозначают буквой ν. Таким образом кинематическая вязкость жидкости

где ρ – плотность жидкости.

Единицей измерения кинематической вязкости жидкости в международной и технической системах единиц служит величина м2/с.

В физической системе единиц кинематическая вязкость имеет единицу измерения см 2 /с и называется Стоксом(Ст).

Вязкость некоторых жидкостей

Жидкость	t, °С	ν, Ст
Вода	0	0,0178
Вода	20	0,0101
Вода	100	0,0028
Бензин	18	0,0065
Спирт винный	18	0,0133
Керосин	18	0,0250
Глицерин	20	8,7
Ртуть	0	0,00125

Величину, обратную коэффициенту абсолютной вязкости жидкости, называют текучестью

Как показывают многочисленные эксперименты и наблюдения, вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры. Для различных жидкостей зависимость вязкости от температуры получается различной.

Поэтому, при практических расчетах к выбору значения коэффициента вязкости следует подходить очень осторожно. В каждом отдельном случае целесообразно брать за основу специальные лабораторные исследования.

Вязкость жидкостей, как установлено из опытов, зависит так же и от давления. Вязкость возрастает при увеличении давления. Исключение в этом случае является вода, для которой при температуре до 32 градусов Цельсия с увеличением давления вязкость уменьшается.

Что касается газов, то зависимость вязкости от давления, так же как и от температуры, очень существенна. С увеличением давления кинематическая вязкость газов уменьшается, а с увеличением температуры, наоборот, увеличивается.

Методы измерения вязкости. Метод Стокса.

Область, посвященная измерению вязкости жидкости, называется вискозиметрия, а прибор для измерения вязкости называется вискозиметр.

Современные вискозиметры изготавливаются из прочных материалов, а при их производстве используются самые современные технологии, для обеспечение работы с высокой температурой и давлением без вреда для оборудования.

Существует следующие методы определения вязкости жидкости.

Капиллярный метод.

Сущность этого метода заключается в использовании сообщающихся сосудов. Два сосуда соединяются стеклянной трубкой известного диаметра и длины. Жидкость помещается в стеклянный канал и за определенный промежуток времени перетекает из одного сосуда в другой. Далее зная давление в первом сосуде и воспользовавшись для расчетов формулой Пуазейля определяется коэффициент вязкости.

Метод по Гессе.

Этот метод несколько сложнее предыдущего. Для его выполнения необходимо иметь две идентичные капиллярные установки. В первую помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а во вторую – исследуемую жидкость. Затем замеряют время по первому методу на каждой из установок и составляя пропорцию между опытами находят интересующую вязкость.

Ротационный метод.

Для выполнения этого метода необходимо иметь конструкцию из двух цилиндров, причем один из них должен быть расположен внутри другого. В промежуток между сосудами помещают исследуемую жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру.

Жидкость вращается вместе с цилиндром со своей угловой скоростью. Разница в силе момента цилиндра и жидкости позволяет определить вязкость последней.

Метод Стокса

Для выполнения этого опыта потребуется вискозиметр Гепплера, который представляет из себя цилиндр, заполненный жидкостью.

Вначале делаются две пометки по высоте цилиндра и замеряют расстояние между ними. Затем шарик определенного радиуса помещается в жидкость. Шарик начинает погружаться в жидкость и проходит расстояние от одной метки до другой. Это время фиксируется. Определив скорость движения шарика затем вычисляют вязкость жидкости.

Видео по теме вязкости

Определение вязкости играет большую роль в промышленности, поскольку определяет конструкцию оборудования для различных сред. Например, оборудование для добычи, переработки и транспортировки нефти.

Вязкость жидкости означает внутреннее трение и представляет собой одно из явлений переноса. Другим словами, это свойство текучих тел (то есть газов и жидкостей), которое заключается в оказании сопротивления перемещению одной их части в отношении другой. Следствием такого перемещения становится работа, которая изначально затрачивалась на данное перемещение, а затем происходит ее рассеивание в виде тепла.

Рисунок 1. Вязкость жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Принцип действия механизма внутреннего трения в жидкостях и газах при этом заключается в переносе хаотически движущихся молекул импульса от одного слоя к другому, что, в свою очередь, способствует выравниванию скоростей (введение такого понятия как сила трения). Таким образом вязкость твёрдых тел обладает целым набором специфических особенностей.

Виды вязкости

Существует несколько разновидностей вязкости:

динамическая;
кинематическая;
условная.

Динамическая вязкость в международной измерительной системе измеряется в паскалях в секунду. С точки зрения физики, данная величина демонстрирует изменение потерь давления за единицу времени. В системе СГС она измерима в пуазах (название дано в честь французского физика Ж. Пуазёйля. Динамическая вязкость жидкостей склонна уменьшаться при увеличении температуры, а ее повышение наблюдается с увеличением показателя давления.

Измерение кинематической вязкости осуществляется в стоксах, что представляет основополагающее значение свойства текучих сред. При задействовании специального прибора вискозиметра становится возможным измерение вязкости любой жидкости. Ее тарированный объем пропускается через калиброванное отверстие (исключая механическое побуждение) и под влиянием одной только силы тяжести.

Готовые работы на аналогичную тему

Рисунок 2. Динамическая вязкость. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Условная вязкость представляет величину, косвенным образом характеризующую гидравлическое сопротивление течению. При этом она измеряется временем истечения заданного объема раствора через вертикальную трубку с определенным диаметром. Измерение осуществляется в градусах Энглера (в честь немецкого химика).

Методы определения вязкости жидкости

Рисунок 3. Методы определения вязкости жидкости. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Процесс измерения вязкости жидкости называется вискозиметрией. В современных условиях определение вязкости жидкости становится возможным с помощью следующих четырех методов:

Капиллярный метод. Для проведения этого метода потребуется наличие двух сосудов, которые соединены между собой посредством стеклянного канала с небольшим диаметром и с известной длиной. Также потребуется изначальное знание значения давления в каждом из сосудов. Жидкость помещают в стеклянный канал, а она далее за определенный промежуток времени перетекает из одной колбы в другую. Дальнейшие подсчеты будут производиться благодаря формуле Пуазейля (определение коэффициента вязкости жидкости). Современные капиллярные вискозиметры состоят из качественного и стойкого материала, способного выдерживать большие температурные нагрузки.
Медицинский метод по Гессе. С целью расчета вязкости жидкости таким образом, потребуется наличие не одной, а двух идентичных капиллярных установок, в одну из которых помещается среда с предварительно известным значением внутреннего трения, а во второй будет находиться помещенная туда исследуемая жидкость. В дальнейшем выполняется измерение двух значений времени и составление пропорции, по которой можно выйти на нужное число.
Ротационный метод потребует наличия конструкции из двух соосных цилиндров, что предполагает нахождение одного и них внутри другого. В промежуток между ними заливается жидкость, а далее внутреннему цилиндру придается определенная скорость. данная угловая скорость также сообщается жидкости. Вязкость среды определяется при этом благодаря разнице в силе момента.
Метод Стокса. Проведение такого опыта требует наличие вискозиметра Гепплера, представляющего собой заполненный жидкостью цилиндр. До начала эксперимента на цилиндре делаются две пометки и затем между ними измеряется длина. Дальше берется шарик определенного радиуса R, который затем опускается в жидкую среду. Для вычисления скорости его падения определяется время передвижения объекта от одной метки к другой. Знание скорости движения шарика позволяет определить вязкость жидкости.

Вязкость в практическом применении

Известны способы широкого применения свойства вязкости жидкости в практическом смысле. Так, определение вязкости большое практическое значение имеет: в условиях нефтеперерабатывающей промышленности. работа с многофазными, дисперсными средами подразумевает знание их физических свойств, в особенности – внутреннего трения.

Современные вискозиметры делаются из прочных материалов, а их производство требует задействования передовых технологий. В комплексе это позволяет производить работу с высокой температурой и давлением без повреждений оборудования. Вязкость жидкости большую роль играет и в промышленности, поскольку транспортировка, добыча и переработка, например, нефти будут зависеть от значений внутреннего трения у жидкостной смеси.

Также существенную роль свойство вязкости жидкости играет и для медицинского оборудования. Так, поступление газовой смеси посредством эндотрахеальной трубки зависит от внутреннего трения данного газа. Здесь по-разному будет отражаться изменение значений вязкости среды на проникновении воздуха через аппарат (зависимость от состава газовой смеси).

Введение вакцин и лекарственных препаратов, через шприц также представляет яркий пример действия вязкости среды. Здесь имеются в виду перепады давления на конце иголки в момент впрыскивания жидкости, несмотря на факт изначального пренебрежения учеными данным физическим явлением. Возникновение высокого давления на наконечнике представляет собой следствие действия внутреннего трения.

Таким образом, вязкость среды считается одной из физических величин, обладающей широким практическим применением. В лаборатории, промышленности, а также медицине понятие внутреннего трения фигурирует довольно часто. Функционирование простейшего лабораторного оборудования зависимо от степени вязкости среды, используемой в исследованиях.

Под вязкостью жидкости понимают внутреннее трение, представлено одним из явлений переноса. Иначе говоря, это особенность текучих тел, жидкостей и газов, которая характеризуется оказанием сопротивления передвижению одной части в отношении к совершенно другой. Результатом такого перемещения стает работа, что сначала затрачивалась на передвижение, а потом рассеялась в виде теплоты.

Принцип работы механизма трения внутреннего в газах и жидкостях заключается непосредственно в переносе молекул импульса, что двигаются хаотически, от одного шара к другому, результатом такого процесса является выравнивание скоростей (сила трения). Исходя из этого, становиться ясно, что вязкость самих твердых тел наделена полным набором уникальных свойств и особенностей.

Виды вязкости

Вязкость классифицируется таким образом:

динамическая;
условная;
кинематическая.

Международная измерительная система предполагает измерение динамической вязкости с помощью паскалей в одну секунду. С физической точки зрения, эта величина характеризует диапазон изменения утраченного давления за это время. Если принять ко вниманию систему СГС, эта величина измеряется в пуазах, название походит от имени известного французского физика Пуазёйля. Динамическая жидкостная вязкость имеет способность к уменьшению при росте температуры и к увеличению - когда растет показатель давления.

Измерить кинематическую вязкость можно в стоксах, которые представляют собой главное свойственное значение текучих сред. Когда задействован специальный прибор вискозиметр, измерять вязкость можно совершенно любой жидкости. Жидкостный тарированный объем проходит через калиброванное отверстие под действием силы тяжести, исключая механическое побуждение.

Под условной вязкостью подразумевают величину, что косвенным образом определяет течению гидравлическое сопротивление. Кроме этого, данная величина измеряется непосредственно временем, за которое истек заданный объем раствора через трубку с конкретным диаметром, что находится в вертикальном положении. В честь немецкого физика условную вязкость измеряют в градусах Энглера.

Методы определения вязкости жидкости

Вискозиметрия - это процесс осуществления измерения жидкостной вязкости. На сегодняшний день определить вязкость жидкости можно благодаря таким методам как:

Капиллярный. Для осуществления данного метода необходимо обзавестись двумя сосудами, соединенными стеклянным каналом между собой, который имеет небольшой диаметр и конкретную длину. Также нужно знать изначальное показание давления в каждом сосуде. Жидкость требуется поместить в стеклянный канал, она, в свою очередь, через некоторое время способна переместиться из одной в другую колбу. Следующие подсчеты можно рассчитать с помощью формулы Пуазейля. Новые капиллярные вискозиметры изготовлены из хорошего и прочного материала, что способен выдержать любые нагрузки температуры.
Медицинский по Гессе. Для того чтобы рассчитать жидкостную вязкость, нужны две одинаковые капиллярные установки. В одну из них необходимо поместить среду, значение внутреннего трения которой нам известно, а во вторую - исследуемую жидкость. Потом требуется осуществить измерение двух временных значений и составить пропорции, чтобы получить в результате необходимое число.
Ротационный. Для этого метода потребуется конструкция из двух непосредственно соосных цилиндров, один из который находится внутри другого. В тот промежуток, что образовался, помещается жидкость, а внутренний цилиндр получает конкретную скорость. Эта угловая скорость сообщается самой жидкости в сосуде. Разница в моментальной силе и определяет вязкость этой среде.
Стокса. Чтобы провести такой опыт, нужно обзавестись вискозиметром Гепплера, что имеет форму цилиндра, заполненного жидкостью. Перед экспериментом требуется поставить на поверхности две отметки и измерить длину между ними. Следом нужно взять шарик конкретного радиуса (R) и опустить его в жидкость. Для того чтобы вычислить скорость падения шара, требуется узнать время перемещения объекта от одной к другой метке. Если мы узнаем скорость движение, узнать вязкость жидкости не составит труда.

Вязкость в практическом применении

На практике известны различные способы применения свойств жидкостной вязкости. В практическом смысле определить данную величину нужно: в работе нефтеперерабатывающей отрасли, деятельности с дисперсными, многофазными средами, ведь данные сферы подразумевают наличие определенных знаний о физических особенностях сред, особенно показателя их внутреннего трения.

Новые вискозиметры изготовляются из качественных материалов с использованием исключительно передовых технологий. В совокупности это дает возможность осуществлять деятельность с большой температурой и показателем давления без негативного влияния на оборудование. Жидкостная вязкость огромное значение имеет в промышленности, так как переработка, транспортировка, добыча зависимы напрямую от того значения внутреннего трения, что характерен для жидкостной смеси.

Вязкость жидкости также достаточно важна для медицинского оборудования. Поступление смеси газа с помощью эндотрахеальной трубки зависимо от внутреннего трения этого газа. В этом случае, будет наблюдаться изменение показателей вязкости конкретной среды на проникновение воздуха непосредственно через аппарат.

Когда вводятся лекарственные препараты и вакцины через шприц, наблюдается реальный пример действия вышеуказанного процесса. Несмотря на начальное пренебрежение исследователями этого физического явления, в такой момент просматривается перепад давления на кончике иголки, когда впрыскивается жидкость. Высокое давление возникает на наконечнике и является результатом процесса внутреннего трения.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что вязкость среды - это определенная физическая величина, что характеризуется широким применением на практике. В промышленности, медицине, лаборатории достаточно часто наблюдается внутреннее трение. Осуществление работы самого простого лабораторного оборудования зависит напрямую от уровня вязкости среды, что используется в экспериментах.

Читайте также: