液体黏度的测定实验报告

物理实验报告

液体黏度的测定

各种实际液体都具有不同程度的黏滞性。当液体流动时,平行于流动方向的各层流体之间,其速度都不相同,即各层间存在着滑动,于就是在层与层之间就有摩擦力产生。这一摩擦力称为“黏滞力”。它的方向在接触面内,与流动方向相反,其大小与接触面面积的大小及速度梯度成正比,比例系数称为“黏度”(又称黏滞系数,viscosity)。它表征液体黏滞性的强弱,液体黏度与温度有很大关系,测量时必须给出其对应的温度。在生产上与科学技术上,凡就是涉及流体的场合,譬如飞行器的飞行、液体的管道输送、机械的润滑以及金属的熔铸、焊接等,无不需要考虑黏度问题。

测量液体黏度的方法很多,通常有:①管流法。让待测液体以一定的流量流过已知管径的管道,再测出在一定长度的管道上的压降,算出黏度。②落球法。用已知直径的小球从液体中落下,通过下落速度的测量,算出黏度。③旋转法。将待测液体放入两个不同直径的同心圆筒中间,一圆筒固定,另一圆筒以已知角速度转动,通过所需力矩的测量,算出黏度。④奥氏黏度计法。已知容积的液体,由已知管径的短管中自由流出,通过测量全部液体流出的时间,算出黏度。本实验基于教学的考虑,所采用的就是奥氏黏度计法。

实验一 落球法测量液体黏度

一、【实验目的】

1、了解有关液体黏滞性的知识,学习用落球法测定液体的黏度;

2、掌握读数显微镜的使用方法。

二、【实验原理】

将液体放在两玻璃板之间,下板固定,而对上板施以一水平方向的恒力,使之以速度v 匀速移动。黏着在上板的一层液体以速度v 移动;黏着于下板的一层液体则静止不动。液体自上而下,由于层与层之间存在摩擦力的作用,速度快的带动速度慢的,因此各层分别以由大到小的不同速度流动。它们的速度与它们与下板的距离成正比,越接近上板速度越大。这种液体流层间的摩擦力称为“黏滞力”(viscosity force)。设两板间的距离为x ,板的面积为S 。因为没有加速度,板间液体的黏滞力等于外作用力,设为f 。由实验可知,黏滞力f 与面积S 及速度v 成正比,而与距离x 成反比,即

x

v S f η= (2-5-1) 式中,比例系数η即为“黏度”。η的单位就是“帕斯卡·秒”(Pa ·s)或kg ·m -1·s -1。

某些液体黏度的参考值见附录Ⅰ。

当一个小球在液体中缓慢下落时,它受到三个力的作用:重力、浮力与黏滞力。如果小球的运动满足下列条件:①在液体中下落时速度很小;②球体积很小;③液体在各个方向上都就是无限宽广的,斯托克斯(S 、G 、、Stokes)指出,这时的黏滞力为

vr f πη6= (2-5-2)

式中η为黏度;v 为小球下落速度;r 为小球半径。此式即著名的“斯托克斯公式”。小球下落时,三个力都在竖直方向,重力向下,浮力与黏滞力向上。由式(2-5-2)知,黏滞力就是随小球下落速度的增加而增加的。显然,如小球从液面下落,开始就是加速运动,但当速度达到一定大小时,三个力的合力为零,小球则开始匀速下落。设这时速度为v ,v 称为“终极速度”。此时

rv g r πηρρπ6

)(3

403=- (2-5-3) 式中,ρ为小球密度;ρ0就是液体密度。由此得

v

gr 2

0)(92ρρη-= (2-5-4)

图2-5-1 落球法测定液体黏度所用的容器

我们在实验操作时,并不能完全满足式(2-5-2)所要求的条件。首先液体不就是无限宽广的,就是放在如图2-5-1所示的容器中的,因此就不能完全不考虑液体边界的影响。设圆筒的直径为D ,液体的高度为H ,小球从圆筒的中心线下落,那么(2-5-4)式应修正为

)23.31)(4.21()(1812

0H

d D d v gd ++-=ρρη 式中,d 为小球直径。由于高度H 的影响实际上很小,可以略掉相应的修正项,又 t

L v =,L 为圆筒上二标线间的距离,t 为小球通过距离L 所用时间,则上式变为

)

4.21()(1812

0D

d L gtd +-=ρρη (2-5-5) 由该式即可计算出黏度η。

另外,在实验观测时式(2-5-2)就是否适用,还与其她影响因素有关,对这方面的问题有兴趣的同学请参见附录Ⅱ。 实验二 奥氏粘度计测量液体粘滞系数

一、【实验目的】

掌握奥氏粘度计测定液体粘滞系数的原理与方法。

二、【实验仪器】

奥氏粘度计、量筒、烧杯、秒表、移液管、洗耳球、温度计、甘油、水等。

图1 奥氏黏度计

三、【实验原理】

1、由泊肃叶公式可知,当液体在一段水平圆形管道中作稳定流动时,单位时间内流出圆管的液体体积为

L

P R Q η84∆=π (1) 式中R 为管道的的截面半径,L 为管道的长度,η为流动液体的粘滞系数,∆P 为管道两端液体的压强差。如果先测出V 、R 、∆P 、L,则可以求出流量Q 。

2、但测量过多容易导致误差偏大,为了避免测量量过多而产生的误差,奥斯瓦尔德设计出一种粘度计(见图1),采用比较法进行测量。取一种已知粘滞系数的液体与一种待测粘滞系数的液体,设它们的粘滞系数分别为η1与η2 ,令同体积V 的两种液体在同样条件下,由于重力的作用通过奥氏黏度计的毛细管D B ,分别测出她们所需的时间t 1与t 2,两种液体的密度分别为ρ1、ρ2。则

V 1=V 2,即Q 1t 1=Q 2t 2

则

11148t L P R ηπ∆=22248t L

P R ηπ∆ 即得 1

12212t P t P ∆∆=ηη (2)

=1、9313mp·s

可3算得酒精的黏度

2

六、【注意事项】

(1)使用粘度计时要小心,不要同时控住两管,以免折断。

(2) 当粘度计注入水(或稀释甘油)时,不要让气泡进入管内,放置粘度计要求正、直。

(3) 在实验进行过程中,用洗耳球将待测液压入细管时,防止液体被压出粘度计或被吸入洗耳球内。

七、【附上原始数据】