Реферат на тему средства измерения вязкости жидкостей

Обновлено: 18.05.2024

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Актуальность работы. Вязкость жидкостей является результатом взаимодействия внутримолекулярных силовых полей, препятствующих относительному движению двух слоев жидкости. Поэтому для перемещения слоев относительно друг друга необходимо преодолеть их взаимное притяжение, и чем оно больше, тем больше нужна сила сдвига. При относительном смещении слоев в газовой среде, в результате переноса количества движения молекул газа при их переходе от слоя к слою, между слоями возникает касательная сила, которая препятствует скольжению последних.
Таким образом, внутреннее трение в жидкости, в отличие от газов, вызвано не обменом молекул, а их взаимным притяжением. Доказательством этого является то, что с повышением температуры, как известно, увеличивается обмен молекул и трение в газах увеличивается, а в жидкостях падает вследствие ослабления межмолекулярного притяжения.
Вязкость твердых тел обладает рядом специфических особенностей
Объект исследования: вязкость жидкостей.
Предмет исследования: особенности вязкости жидкостей.
Цель работы: рассмотреть вязкость жидкостей.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть вязкость жидкости;
- описать способы и технические средства (приборы) определения вязкости;
- привести обеспечение заданной вязкости жидких продуктов.
1. Вязкость жидкости
Вязкость жидкости - это свойство реальных жидкостей сопротивляться тангенциальным силам (внутреннему трению) в потоке. Вязкость жидкости не может быть обнаружена, когда она находится в состоянии покоя, так как она появляется только тогда, когда она движется. Чтобы правильно оценить такие гидравлические сопротивления, которые возникают при движении жидкости, необходимо, прежде всего, установить законы внутреннего трения жидкости и сформировать четкое представление о механизме самого движения.
Вязкость является одним из основных реологических свойств веществ. Как физическая величина, которую можно определить количественно, вязкость-это свойство жидкости сопротивляться действию внешней силы, которая вызывает ее течение. Вопросы регулирования вязкости имеют большое значение для современных технологических производств. В химической, нефтехимической, пищевой, стекольной, лакокрасочной и других отраслях промышленности качество процесса и продукции часто определяется вязкостью используемых и производимых веществ. По вязкости судят о качестве полуфабриката и готового продукта, а также о физико-химических изменениях в материале, происходящих в ходе технологического процесса. Целесообразность измерения вязкости выходит далеко за рамки технического производства. Известно, что вязкость крови оказывает значительное влияние на работу системы кровообращения. Для того чтобы предотвратить инсульты, рекомендуется регулярно проводить анализы крови на определение вязкости. Существует три группы процессов, в которых целесообразно применять технологический контроль вязкости:
- в технологическом процессе происходят реакции, приводящие к изменению вязкости;
- качество продукции определяется вязкостью;
- качество технологического процесса зависит от вязкости.
Производственные процессы первой группы можно отнести ко многим процессам в химической и пищевой промышленности. Знание закономерностей изменения реологических свойств реакционной смеси в процессе технологического процесса позволяет влиять на структуру и качество продукта путем добавления различных добавок, регулирующих режим и способ механической, термической, электрической и химической обработки. Примерами готового продукта, основным показателем качества которого является вязкость, являются масла. Легкость запуска двигателя в холодную погоду, мощность двигателя и расход топлива зависят от вязкости масла в автомобильной промышленности. Вязкость определяет скорость потока масла к трущимся частям. Для каждой машины, агрегата или узла трения необходимо выбрать определенную вязкость смазочного масла. Применение низковязкого масла приводит к выдавливанию масляной пленки из зоны трения, повышенному трению, нагреву и повышенному износу деталей. При снижении вязкости масла легче запустить двигатель, а подача масла в зазоры ускоряется. Использование масел чрезмерно высокой вязкости приводит к потере мощности и, в конечном счете, к снижению КПД машины. При производстве латексных смесей часто необходимо поддерживать вязкость в очень узких пределах, чтобы достичь требуемого качества. Например, для некоторых резиновых изделий, требующих очень тонкой пленки, желательно иметь смесь с низкой вязкостью.
В некоторых случаях, например, желательно использовать латексную смесь с очень высокой вязкостью. Подавляющее большинство процессов, качество которых определяется вязкостью, связано с нанесением защитных покрытий на твердые поверхности. В этих процессах вязкость материала покрытия не должна препятствовать его растеканию по поверхности, и в то же время она должна быть достаточной для поддержания слоя необходимой толщины. При нанесении лакокрасочных материалов на поверхность их вязкость не должна быть высокой, чтобы облегчить перенос с помощью (или через) устройства нанесения. Вязкость уменьшается при разрушении структуры краски. Из-за высоких скоростей сдвига и коротких временных интервалов, характерных для процессов переноса краски, как упругость, так и вязкое течение могут изменять характер поверхностных дефектов пленки. Последние увеличиваются за счет неустойчивого гидродинамического течения, которое связано с когезионным разрушением потока краски на выходе из распылительной форсунки или на границе раздела между пленкой, прилегающей к подложке, и выступающей кромкой, например валиком, движущимся вдоль окрашиваемой подложки. Краска должна оставаться маловязкой достаточно долго, чтобы растекаться по дефектам поверхности. Однако при низкой вязкости краска будет стекать с вертикальной поверхности под действием силы тяжести . Если толщина слишком велика, то эффект стекания может стать заметным и на поверхности могут появиться дефекты в виде "набуханий". Начальная низкая начальная вязкость краски должна сопровождаться резким ее повышением, связанным с испарением растворителя или с быстрым восстановлением реологической структуры, разрушенной сдвиговыми напряжениями при переносе краски на поверхность. В обоих случаях эффект один и тот же; высыхающая пленка практически неподвижна, и процесс стекания прекращается до того, как она становится заметной. На потерю растворителя может влиять различная летучесть растворителей и растворимость компонентов в смеси растворителей, образующих жидкую фазу. Эти эффекты растворимости, в свою очередь, будут контролировать увеличение вязкости сушильной пленки по мере испарения растворителя. Во время испарения поверхность пленки охлаждается, особенно в случае быстро испаряющихся растворителей, что также может повлиять на вязкость пленки. В печати процесс печати проектируется с использованием материалов, которые имеют определенную заданную вязкость. Слишком жидкий лак будет распыляться, слишком густой не растечется. Многие материалы поставляются с более высокой вязкостью, чем рабочая, и их необходимо довести до требуемого значения с помощью специального разбавителя. в этом случае необходимо проверить вязкость перед началом работы. Во время процесса печати вязкость лакокрасочных материалов может изменяться как в результате испарения растворителя, так и при поглощении воздуха. Непрерывный контроль вязкости позволяет получить более стабильное качество печати. При глазировании конфетных корпусов в производстве шоколадных конфет расход шоколадной глазури во многом зависит от ее вязкости. При высокой вязкости шоколада его слой на корпусах конфет будет слишком толстым, а при низкой - тонким. Знание зависимости реологических свойств полуфабрикатов кондитерских изделий от температуры, влажности, длительности и интенсивности механических и тепловых воздействий и других факторов позволяет оптимально регулировать и прогнозировать технологические параметры производства. В сахарной промышленности вязкость является важным физико-химическим свойством, влияющим не только на механические процессы, но и на технологические процессы, такие как насыщение, кристаллизация и центрифугирование. Вязкость значительно влияет на скорость кристаллизации сахарозы. Контроль вязкости сахарного производства очень важен для снижения содержания сахара в мелассе, так как именно на основе его вязкости устанавливается концентрация сухих веществ в нормальной мелассе. Реологические характеристики молока и молочных продуктов имеют существенное значение для оценки хода технологических процессов и их качественных показателей. Вязкость является прямым показателем качества многих молочных продуктов, таких как кефир. Это связано с тем, что вязкость кисломолочных продуктов зависит от концентрации микроорганизмов. Для различных образцов кисломолочных продуктов были получены зависимости, связывающие вязкость, содержание сухого вещества и РН. Определение количества соматических клеток в собранном молоке и отнесение его к соответствующей группе аномалий возможно путем измерения вязкости смеси молока со специальным поверхностно-активным веществом. Измерение вязкости материала используется для косвенного определения молекулярной массы, концентрации нерастворенных твердых веществ и других параметров. Вязкость является важнейшим технологическим параметром качества при производстве полимеров и различных изделий на их основе. Это связано с тем, что вязкость зависит от молекулярной массы и концентрации вещества, а также от его структуры в расплаве или растворе. Вязкость полимеров является одним из основных факторов, определяющих поведение полимеров в процессе переработки и качество получаемых продуктов. Полимерные материалы с высокой вязкостью не удовлетворительно заполняют полости пресс-форм и пресс-форм для литья под давлением, поэтому при обработке таких полимеров требуются высокие температуры формования и давления. Повышение температуры формования приводит к значительному удлинению производственного цикла, увеличению усадки изделий и увеличению энергозатрат. Повышение давления формования способствует росту ориентационных напряжений в изделии, что приводит к анизотропии механических свойств, снижению стойкости к растрескиванию и снижению температуры деформирования. Формирование покрытий из низковязких композиций также сопряжено с некоторыми трудностями. Инъекционные и экструзионные изделия, изготовленные из материалов с пониженной вязкостью, часто имеют несколько ухудшенные прочностные свойства и менее устойчивы к износу. Повышенная текучесть способствует получению гетерогенных продуктов и образованию граба на изделиях.
2. Способы и технические средства (приборы) определения вязкости
Вискозиметрия - это измерение вязкости. На современном этапе развития науки. Существует четыре способа практического определения величины вязкости жидкости:
1. Капиллярный метод. Для его проведения необходимо иметь два сосуда, соединенных стеклянным каналом небольшого диаметра известной длины. Вы также должны знать значения давления в одном сосуде и в другом. Жидкость помещают в стеклянный канал, и в течение определенного периода времени она перетекает из одной колбы в другую. Расчеты производятся с использованием формулы Пуазейля для нахождения значения коэффициента вязкости жидкости. Определение вязкости жидкости методом Стокса на практике жидкие среды могут быть смесью горячих до 200-300 градусов. Обычная стеклянная трубка в таких условиях просто деформировалась бы или даже лопнула, что недопустимо. Современные капиллярные вискозиметры изготавливаются из высококачественного и стойкого материала, который легко выдерживает такие нагрузки.
2

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Курсовая работа

по дисциплине “Метрология, теория измерений и измерительная техника”

Тема: Измерение вязкости жидкостей.

Выполнил: студент гр. 103713 Казак А.В.

Руководитель: Мирошниченко И. Ф.

1.Измерение вязкости жидкостей

1.2 Метод капиллярной вискозиметрии

1.3. Вибрационный метод

1.4. Метод падающего шарика

1.5. Ротационный метод

2. Контроль деталей по альтернативному признаку с использованием калибров

3.Анализ точечных диаграмм

4. Анализ применяемых шкал в ходе выполнения задания

1.Измерение вязкости жидкостей

Вязкость жидкостей (внутреннее трение) - свойство оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В рамках линейных модельных представлений о вязком течении жидкостей, предложенных И. Ньютоном (1687 г.) тангенциальная (касательная) сила F, вызываемая сдвигом слоев жидкости друг относительно друга, определяется в виде:

где - градиент скорости течения (быстрота изменения ее от слоя к слою), иначе - скорость сдвига (см. рис. 1 );

? - коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев.

Величина называется текучестью.

Сдвиговое течение жидкости (течение Куэтта)

схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключенного между двумя твердыми пластинками, на которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью V₀; V(z) - зависимость скорости слоя от расстояния z до неподвижной пластинки.

Наряду с динамической вязкостью часто используют кинематическую вязкость:

где ? - плотность жидкости.

В условиях установившегося ламинарного течения при постоянной температуре Т вязкость нормальных жидкостей (т.н. ньютоновских жидкостей) - величина, не зависящая от градиента скорости. Вязкость обусловлена, в первую очередь, межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нем полости, достаточной для "перескакивания" туда молекулы. На образование полости (на "рыхление" жидкости) расходуется так называемая активация вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры Т и понижением давления Р жидкости.

В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста ее при высоких давлениях. При повышении давления жидкости до нескольких тысяч атмосфер ее вязкость увеличивается в десятки и сотни раз.

Строгой теории вязкости жидкостей до настоящего момента не создано, поэтому на практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул достаточно хорошо отражающих зависимость вязкости отдельных классов жидкостей и растворов от температуры и химического состава.

При турбулентном течении жидкостей, когда число Рейнольдса (Re)і32300 (для круглых труб) формула Ньютона оказывается неприменимой. В этих многочисленных случаях используют различные эмпирические соотношения.

Так, например, для плоскопараллельного осредненного турбулентного движения жидкости используют формулу Буссинеска:

где l- путь перемешивания жидкости (турбулентный аналог длины свободного пробега молекул).

Единицей вязкости в Международной системе является паскаль-секунда (Па.с). Применяется и внесистемная единица вязкости - пуаз (П), причем, 1Па.с = 10П.

Таблица 1.Вязкость жидкостей при 18°С

Масло машинное легкое

Масло машинное тяжелое

Вискозиметры (от латинского ‘viscous’, т.е. вязкость) – приборы для измерения вязкости – в настоящее время широко применяются в различных областях науки, техники и промышленности. По принципу работы существующие модели вискозиметров делят на четыре основные группы: капиллярные, ротационные, с падающим шариком, вибрационные.

Вискозиметры – достаточно дорогостоящие приборы. Большинство существующих моделей вискозиметров для измерений требуют сравнительно большие объемы жидкостей (100 и более мл), что не всегда возможно, например, при исследовании дорогих или токсичных жидкостей, а также при реологическом анализе крови. Кроме того, промышленно выпускаемые модели имеют не очень широкий диапазон измерений; внешние условия могут влиять на результаты эксперимента, а переградуировка приборов трудоемка.

1.2. Метод капиллярной вискозиметрии

Метод капиллярной вискозиметрии опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью ? через капилляр вискозиметра:

Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,

R – радиус капилляра вискозиметра, м

L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м

? – вязкость жидкости, Па·с,

р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже (рис.3) размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.

Введём несколько обозначений:

? – частота колебаний, ? – время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра, S - площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы

где V – скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра; r – радиус шарика; g – ускорение свободного падения; d – плотность материала шарика; ? - плотность жидкости.

Необходимо отметить, что уравнение справедливо только в том случае, если скорость падения шарика вискозиметра довольно мала и при этом соблюдается некое эмпирическое соотношение: .

Как и в капиллярном методе вискозиметрии, необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:

Введём необходимые обозначения:

R1,L - радиус и длина ротора ротационного вискозиметра;

? - постоянная угловая скорость вращения внешнего тела;

R2 - радиус вращающегося резервуара ротационного вискозиметра;

? - вязкость исследуемой cреды;

M1 - момент вращения, передаваемый через вязкую жидкость, равный

d,l - диаметр и длина упругой нити,

? - угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,

G - момент упругости материала нити.

При этом крутящий момент M1 ротора ротационного вискозиметра уравновешивается моментом сил упругости нити М2:

Заметим вновь, что М1 = М2, откуда после нескольких преобразований относительно ? имеем:

мкм — верхнее отклонение;

мкм — основное отклонение.

Предельные размеры отверстия:

Рис 11. Схема расположения полей допусков сопрягаемых деталей.

г) Расчёт калибров для контроля деталей гладких цилиндрических сопряжений для посадки 63N9/h8.

Определяем предельные отклонения и размеры отверстия 63N9:

По ГОСТ 24853-81 выбираем схемы расположения полей допусков калибров. Определяем численные значения H, Z, Y:

Z=7мкм— отклонение середины поля допуска на изготовление проходного калибра для отверстия, относительно наименьшего предельного размера изделия.

Н=5мкм — допуск на изготовление калибров для отверстия.

Y=5мкм — допустимый выход размера изношенного проходного калибра для отверстия за границу поля допуска изделия.

Определяем предельные размеры проходного и непроходного калибра для отверстия 63N9.

Рис.12. Поля допуска калибров пробок.

Определяем предельные отклонения и размеры вала 63h8:

По ГОСТ 24853-81 выбираем схемы расположения полей допусков калибров. Определяем численные значения H₁, Z₁, Y₁, Н_р:

Z₁=7мкм— отклонение середины поля допуска на изготовление проходного калибра для вала, относительно наибольшего предельного размера изделия.

Н₁=8мкм — допуск на изготовление калибров для вала.

Y₁=5мкм — допустимый выход размера изношенного проходного калибра для вала за границу поля допуска изделия.

Н_р=3мкм — допуск на изготовление контркалибров для скобы.

Определяем предельные размеры проходного и непроходного калибра для вала 63h8.

Рис.13.Поля допуска калибров для контроля вала.

Определяем исполнительные размеры калибров и контркалибров:

Рис 14. Калибр пробка

3) калибры скобы:

3.Анализ точечных диаграмм

Дано: точечные диаграммы результатов многократных измерений (рис.16) (каждый из рисунков две серии измерений одной ФВ).

Требуется: Для каждой серии определить наличие и характер (тенденцию) изменения результатов, провести аппроксимирующие линии и оценить все возможные количественные характеристики погрешностей измерений (общий размах результатов, размах случайных составляющих погрешности измерений, накопленную, систематическую составляющую и/или амплитуду систематической составляющей погрешности измерений.)

Рассмотрим точечные диаграммы результатов многократных измерений одной физической величины различными методами (МВИ 1 и МВИ 2):

В первом случае монотонная тенденция изменения результатов свидетельствует о наличии прогрессирующей систематической погрешности. Отклонение диаграммы от аппроксимирующей линии говорит также о наличие и случайной погрешности. На диаграмме показаны два значения рассеяния результатов — общий размах R’1, обусловленный комплексным влиянием систематической и случайной погрешностей, и свободный от прогрессирующих систематических погрешностей размах R1, вызванный случайными отклонениями результата от аппроксимирующей линии. Для определения значения размаха R1 через наиболее удаленные от аппроксимирующей линии вверх и вниз точки проведены две эквидистанты.

Во втором случае имеется только случайная погрешность, т.к. аппроксимирующей линией является прямая, параллельная оси абсцисс. На диаграмме показано рассеяние результатов R2, обусловленное воздействием случайной погрешности. Для определения значения размаха R2, как и в предыдущем случае, через наиболее удаленные от аппроксимирующей линии вверх и вниз точки проведены две эквидистанты.

В обеих сериях отсутствуют грубые погрешности измерений.

Сходимость, определяемая размахом результатов, во второй серии будет выше, чем в первой. Сходимость первой серии измерений может быть повышена за счет исключения систематической погрешности.

Характер и положение аппроксимирующих линий в сериях не совпадают: в первой серии измерений есть прогрессивная тенденция изменения результатов, во второй она отсутствует. Размахи отклонений в сериях R1 и R2 примерно одинаковы, но значимые различия результатов обусловлены большим неисправленным размахом R’1 и относительными смещениями аппроксимирующих линий. Следовательно воспроизводимость измерений будет низкой.

Вязкость - свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одного слоя относительно другого. Количественно вязкость характеризуется значением динамической вязкости или коэффициентом внутреннего трения. Характерной особенностью этого вида трения является то, что оно наблюдается не на границе твердого тела и жидкости, а во всем объеме жидкости.

Содержание

Вискозиметры
Основные методы вискозиметрии
Классификация вискозиметров
Применение вискозиметров
Список использованной литературы

Работа содержит 1 файл

Реферат по введению в специальность..docx

Реферат по введннию в специальность на тему

Студент 1 курса

Содержание:

Вискозиметры
Основные методы вискозиметрии
Классификация вискозиметров
Применение вискозиметров
Список использованной литературы

Вискозиметры

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости среды к ее плотности при той же температуре.

При измерениях часто пользуются также величиной относительной (условной) вязкости, характеризующейся отношением вязкости данной жидкости к вязкости воды при той же температуре.

Вискозиметр – прибор для измерения вязкости.

Основные методы вискозиметрии:

Капиллярный метод вискозиметрии

Приведем уравнение гидродинамики для стационарного течения жидкости, с вязкостью η через капилляр вискозиметра:

Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,

R – радиус капилляра вискозиметра, м

L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м

η – вязкость жидкости, Па·с,

р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

Отметим, что формула Пуазейля справедлива только для ламинарного потока жидкости, то есть при отсутствии скольжения на границе жидкость – стенка капилляра вискозиметра. Приведенное уравнение используют для определения динамической вязкости. Ниже размещено схематическое изображение капиллярного вискозиметра.

где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность иссдледуемой жидкости.

Вторую поправку условно назовём поправкой влияния начального участка капилляра вискозиметра на характер движения исследуемой жидкости. Она будет характеризовать возможное возникновение винтового движения и завихрения в месте сопряжения капилляра с резервуаром капиллярного вискозиметра (откуда вытекает жидкость). Суть поправки состоит в том, что вместо истинной длины капилляра вискозиметра L мы вводим кажущуюся длину L':

n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.

Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах , то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

Вибрационный метод вискозиметрии

Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра, при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градуировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы).

Введём несколько обозначений:

ω – частота колебаний, τ – время колебания тонкого упруго закрепленного зонда вибрационного вискозиметра, S - площадь пластины зонда вискозиметра; колебания происходят под действием гармонической силы . Вязкость и плотность исследуемой среды соответственно обозначим η и d.

Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильно-вязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) в жидкость при сдвиге фаз .

Для измерения вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. В общем случае для малых значений вязкости имеем:

Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии .

Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2).

Метод падающего шарика вискозиметрии

Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса , согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:

где V – скорость поступательного равномерного движения шарика вискозиметра; r – радиус шарика; g – ускорение свободного падения; d – плотность материала шарика; ро - плотность жидкости.

Как и в капиллярном методе вискозиметрии , необходимо учитывать возникающие поправки на конечные размеры цилиндрического сосуда вискозиметра с падающим шариком (высотой L и радиусом R, при условии, если выполняется ). Такие действия приводят к уравнению для определения динамической вязкости жидкости методом падающего шарика вискозиметрии:

На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей.

Ротационный метод вискозиметрии

Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора визкозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом рассматриваются) . Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.

Для простоты мы рассмотрим инверсную модель ротационного вискозиметра: вращаться будет внешнее тело, внутренее тело останется неподвижным, ему и будет сообщаться момент вращения. Однако для краткости изложения будем называть внутреннее тело ротором ротационного вискозиметра.

Введём необходимые обозначения:

R1,L - радиус и длина ротора ротационного вискозиметра;

ω - постоянная угловая скорость вращения внешнего тела;

R2 - радиус вращающегося резервуара ротационного вискозиметра;

η - вязкость исследуемой cреды;

M1 - момент вращения, передаваемый через вязкую жидкость, равный

d,l - диаметр и длина упругой нити,

φ - угол, на который закручивается неподвижно закреплённая нить,

G - момент упругости материала нити

Заметим вновь, что М1 = М2, откуда после нескольких преобразований относительно η имеем:

где k – постоянная ротационного вискозиметра.

Если рассматривать ту же задачу для ротационного вискозиметра с вращающимся внутренним (ротором висозиметра) и неподвижным внешним телами, имеем:

В этом случае G – момент, необходимый для поддержания постоянной частоты вращения, (один оборот ротора вискозиметра за τ с).

Заметим, что полученные отношения справедливы для цилиндра бесконечной длины, в реальных условиях учитывается поправка на размеры тел ротационного вискозиметра. Для этого производится вычисление так называемой эффективной высоты H ротационного вискозиметра:

Измерением называется процесс определения путем операций или функционального преобразования количественного соотношения данной величины с единицей измерения. Под единицей измерения понимают величины, принятые за основу сравнения по международному соглашению и внутригосударственным законодательством в отношений эталонов и образцовых мер.
Измерив, какую-нибудь величину необходимо ее сравнить с другой, однородной первой, принятой за единицу и называемой мерой.

Содержание работы

1. Измерение вязкости жидкости.

1.2 Основные методы вискозиметрии.

1.2.1 Метод капиллярной вискозиметрии.

1.2.2 Вибрационный метод.

1.2.3 Метод падающего шарика.

1.2.4 Ротационный метод.

Список использованной литературы.

Файлы: 1 файл

Срс.doc

1. Измерение вязкости жидкости.

1.2 Основные методы вискозиметрии.

1.2.1 Метод капиллярной вискозиметрии.

1.2.2 Вибрационный метод.

1.2.3 Метод падающего шарика.

1.2.4 Ротационный метод.

Список использованной литературы.

Измерив, какую-нибудь величину необходимо ее сравнить с другой, однородной первой, принятой за единицу и называемой мерой.

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения называется числовым значением измеряемой величины.

Уравнение вида Q=qU называется основным уравнением измерения, где

Q - измеряемая величина;

U - ед. измерения;

q - числовое значение измеряемой величины.

Измерения бывают прямые, косвенные и совокупные.

При прямых измерениях значения измерений величины определяется непосредственным сравнением ее с мерами или показаниями измерительных приборов, градуированных в выбранных единицах измерения.

Существует 3 основных метода прямых измерении:

1. Метод непосредственный оценки;

2. Компенсационный (нулевой) метод;

При методе непосредственной оценки измеряемая величина прямо преобразуется в показания приборов, дающие ее числовое значение. Например, весы.

Компенсационный метод состоит уравновешивание неизвестной величины с помощью известной.

Значение измеряемой величины получают после достижения равновесия в измерительной схеме по значению известной величины.

К приборам, которые работают по выше указанному методу, относятся электронные автоматические мосты, потенциометры.

1. Измерение вязкости жидкости.

где - градиент скорости течения (быстрота изменения ее от слоя к слою), иначе - скорость сдвига (см. рис. 1);

η - коэффициент динамической вязкости или просто вязкость, характеризующий сопротивление жидкости смещению ее слоев.

Величина называется текучестью.

Сдвиговое течение жидкости (течение Куэтта)

На рис. 1 приведена схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключенного между двумя твердыми пластинками, на которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью V₀; V(z) - зависимость скорости слоя от расстояния z до неподвижной пластинки.

Наряду с динамической вязкостью часто используют кинематическую вязкость:

где ρ - плотность жидкости.

Строгой теории вязкости жидкостей до настоящего момента не создано, поэтому на практике широко применяют ряд эмпирических и полуэмпирических формул, достаточно хорошо отражающих зависимость вязкости отдельных классов жидкостей и растворов от температуры и химического состава.

где - касательные напряжения внутреннего трения в потоке жидкости;

А - коэффициент турбулентного перемешивания (турбулентной вязкости), который в отличии от коэффициента молекулярной вязкости уже не является физической постоянной жидкости, а зависит от характера осредненного движения (z - расстояние от стенки).

На основании полуэмпирической теории Прантдаля турбулентная вязкость определяется зависимостью:

где l- путь перемешивания жидкости (турбулентный аналог длины свободного пробега молекул).

Таблица 1.Вязкость жидкостей при 18°С

Масло машинное легкое

Масло машинное тяжелое

1.2 Основные методы вискозиметрии.

1.2.1 Метод капиллярной вискозиметрии.

Q – количество жидкости, протекающей через капилляр капиллярного вискозиметра в единицу времени, м3/с,

R – радиус капилляра вискозиметра, м

L – длина капилляра капиллярного вискозиметра, м

η – вязкость жидкости, Па·с,

р - разность давлений на концах капилляра вискозиметра, Па.

где h – коэффициент, стремящийся к единице, d –плотность исследуемой жидкости.

n – определяется экспериментально на основе изменений при разных значениях L и примерно равен единице.

Следует учитывать, что при измерении вязкости органических жидкостей с большой кинематической вязкостью поправка Хагенбаха незначительна и составляет доли процента. Если же говорить о высокотемпературных вискозиметрах, то вследствие малой кинематической вязкости жидких металлов поправка может достигать 15%.

1.2.2 Вибрационный метод.

Вибрационный метод вискозиметрии базируется на определении изменений параметров вынужденных колебаний тела правильной геометрической формы, называемого зондом вибрационного вискозиметра, при погружении его в исследуемую среду. Вязкость исследуемой среды определяется по значениям этих параметров, при этом обычно используется градировочная кривая вискозиметра (для случая примитивного вибрационного вискозиметра; в целом, не теряя общности, этот принцип переносится и на более сложные приборы).

Введём несколько обозначений:

Частотно-фазовый вариант вибрационного метода вискозиметрии используется для сильновязких жидкостей. В этом случае измеряется частота колебаний зонда вискозиметра, сначала не погруженного (ω0) и затем погруженного (ω) в жидкость при сдвиге фаз .

Для измерения вязкости менее вязких сред, например, металлических расплавов, наиболее подходящим является амплитудно-резонансный вариант вибрационного метода вискозиметрии. В этом случае добиваются того, чтобы амплитуда А колебаний была максимальной (путём подбора частот колебаний). Поэтому измеряемым параметром, по которому определяется вязкость, становится амплитуда колебаний зонда вискозиметра. В общем случае для малых значений вязкости имеем:

Учтем поправки С2(сторонние силы: трения, поверхностного натяжения, лобового сопротивления и т.п.). Имеем конечную формулу метода вибрационной вискозиметрии:

Градуировка вискозиметра производится по известным жидкостям (именно определяются постоянные С1,С2).

1.2.3 Метод падающего шарика.

Метод падающего шарика вискозиметрии основан на законе Стокса, согласно которому скорость свободного падения твердого шарика в вязкой неограниченной среде можно описать следующим уравнением:

В промышленности, научной деятельности часто необходимо вычислить коэффициент вязкости жидкости. Работа с обычными или дисперсными средами в виде аэрозолей, газовых эмульсий требует знаний о физических свойствах этих веществ.

Что такое вязкость жидкости?

Еще Ньютон положил начало такой науке, как реология. Эта отрасль занимается изучением сопротивления вещества при движении, т. е. вязкости.

В жидкостях и газах происходит непрерывное взаимодействие молекул. Они ударяются друг о друга, отталкиваются или просто пролетают мимо. В итоге слои вещества как бы взаимодействуют друг с другом, придавая скорость каждому из них. Явление подобного взаимодействия молекул жидкостей/газов и называется вязкостью, или внутренним трением.

На примере газа такой опыт провести практически невозможно, т. к. силы взаимодействия молекул друг с другом очень малы, и визуально это зарегистрировать не удастся. Здесь тоже говорят о слоях, о скорости движения этих слоев, поэтому в газообразных средах также существует вязкость.

Ньютоновские и неньютоновские среды

Ньютоновская жидкость – это такая жидкость, вязкость которой можно высчитать с помощью формулы Ньютона.

К таким средам относятся вода и растворы. Коэффициент вязкости жидкости в таких средах может зависеть от таких факторов, как температура, давление или строение атома вещества, однако градиент скорости всегда останется неизменным.

Неньютоновские жидкости – это такие среды, в которых упомянутое выше значение может изменяться, а значит, формула Ньютона здесь действовать не будет. К таким веществам относятся все дисперсные среды (эмульсии, аэрозоли, суспензии). Сюда же относится и кровь. Об этом более подробно поговорим далее.

Кровь как внутренняя среда организма

Коэффициенты вязкости среды

Взаимодействие слоев среды друг на друга сказывается на характеристиках всей системы жидкости или газа. Вязкость – это один из примеров такого физического явления, как трение. Благодаря ей верхние и нижние слои среды постепенно выравнивают скорости своего тока, и в конечном итоге она приравнивается к нулю. Также вязкость можно характеризовать как сопротивление одного слоя среды другому.

Для описания таких явлений выделяют две качественные характеристики внутреннего трения:

динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость жидкости);
кинетический коэффициент вязкости (кинетическая вязкость).

Обе величины связаны уравнением υ = η / ρ, где ρ – плотность среды, υ – кинетическая вязкость, а η – динамическая вязкость.

Методы определения вязкости жидкости

Вискозиметрия – это измерение вязкости. На современном этапе развития науки найти значение вязкости жидкости практическим путем можно четырьмя способами:

1. Капиллярный метод. Для его проведения необходимо иметь два сосуда, соединенных стеклянным каналом небольшого диаметра известной длины. Также нужно знать значения давления в одном сосуде и в другом. Жидкость помещается в стеклянный канал, и за определенный промежуток времени она перетекает из одной колбы в другую.

Дальнейшие подсчеты производятся с помощью формулы Пуазейля для нахождения значения коэффициента вязкости жидкости.

На практике жидкие среды могут представлять собой раскаленные до 200-300 градусов смеси. Обычная стеклянная трубка в таких условиях просто бы деформировалась или даже лопнула, что недопустимо. Современные капиллярные вискозиметры собраны из качественного и стойкого материала, который легко переживает такие нагрузки.

2. Медицинский метод по Гессе. Чтобы рассчитать вязкость жидкости таким способом, необходимо иметь не одну, а две идентичные капиллярные установки. В одну из них помещают среду с заранее известным значением внутреннего трения, а в другую – исследуемую жидкость. Далее измеряют два значения времени и составляют пропорцию, по которой выходят на нужное число.

3. Ротационный метод. Для его проведения необходимо иметь конструкцию из двух соосных цилиндров. Это значит, что один из них должен быть внутри другого. В промежуток между ними заливают жидкость, а затем придают скорость внутреннему цилиндру. Эта угловая скорость также сообщается жидкости. Разница в силе момента позволяет вычислить вязкость среды.

4. Определение вязкости жидкости методом Стокса. Для проведения этого опыта необходимо иметь вискозиметр Гепплера, который представляет собой цилиндр, заполненный жидкостью. Перед началом эксперимента делают две пометки на цилиндре и измеряют длину между ними. Затем берут шарик определенного радиуса R и опускают его в жидкую среду. Чтобы определить скорость его падения, находят время передвижения объекта от одной метки до другой. Зная скорость движения шарика, можно вычислить вязкость жидкости.

Практическое применение вискозиметрам

Определение вязкости жидкости имеет большое практическое значение в нефтеперерабатывающей промышленности. При работе с многофазными, дисперсными средами важно знать их физические свойства, особенно внутреннее трение. Современные вискозиметры сделаны из прочных материалов, при их производстве задействуются передовые технологии. Все это в совокупности позволяет работать с высокой температурой и давлением без вреда для самого оборудования.

Вязкость жидкости играет большую роль в промышленности, потому что транспортировка, переработка и добыча, например, нефти зависят от значений внутреннего трения жидкостной смеси.

Какую роль играет вязкость в медицинском оборудовании?

Поступление газовой смеси через эндотрахеальную трубку зависит от внутреннего трения этого газа. Изменение значений вязкости среды здесь по-разному отражается на проникновении воздуха через аппарат и зависит от состава газовой смеси.

Введение лекарственных препаратов, вакцин через шприц тоже является ярким примером действия вязкости среды. Речь идет о перепадах давления на конце иголки при впрыскивании жидкости, хотя изначально полагали, что этим физическим явлением можно пренебречь. Возникновение высокого давления на наконечнике – это результат действия внутреннего трения.

Заключение

Вязкость среды – это одна из физических величин, которая имеет большое практическое применение. В лаборатории, промышленности, медицине – во всех этих сферах понятие внутреннего трения фигурирует очень часто. Работа простейшего лабораторного оборудования может зависеть от степени вязкости среды, которая используется для исследований. Даже перерабатывающая промышленность не обходится без знаний в области физики.

Читайте также: