Вывод: ……………………………………………………………………………………………..

Дополнительное задание:

Используя полученные значения вязкости, рассчитайте, а затемпроверьте экспериментально скорость установившегося движения контрольного тела, выданного вам преподавателем.

Размеры, форма и масса тела:

Материал – Форма -

Диаметр - Масса -

Формула и расчёт скорости движения шарика:

Экспериментальные данные о движении шарика:

Длина пути

Время движения

Скорость движения

Вывод по итогам выполнения задания:

Лабораторная работа №2 ВЯЗКОСТЬ ГАЗОВ

Цель работы

Углубить теоретические представления о механизмах возникновения, о величине внутреннего трения в газах, о её связи с микрокинетическими параметрами газа. Освоить методы измерения вязкости газов.

1. Теоретическая часть

Вязкость газов, в отличие от жидкостей, увеличивается при повышении температуры. Различный характер зави­симости вязкости газов и жидкостей от температуры указывает на различный механизм их возникновения, хотя формула Ньютона - - одинаково справедлива и для обоих этих состояний.

Рассмотрим, как возникает внутреннее трение в газах. В отличие от жидкостей здесь силы внутреннего трения возникают в результате микрофизического процесса передачи импульса от одного слоя газа к другому. Переносчиками импульса выступают молекулы газа.

Выделим в движущемся потоке газа вдоль вектора скорости два параллельных соприка­сающихся слоя. Пусть скорости v их движения по величине и направлению тако­вы, как показано на рисунке. В тепловом движении импульсы р молекул и их проекции р _x в рассмат­риваемых слоях неодинаковы. Молекулы, находящиеся в более медленном, «нижнем» слое, имеют меньшую составляющую импульса р _x и, по­пав в «верхний» слой, затормаживают его. Δр_х – изменение импульса - направлено навстречу движению этого слоя. «Верхние»же молекулы, наоборот, перено­сят вниз импульс больший, чем имеют молекулы «нижнего» слоя, и поэтому ускоряет нижний слой.

По второму закону Ньютона Δр_х /Δ t = F – сила сопротивления движению. Она зависит от массы молекул, их концентрации (частота переноса импульсов) и температуры (скорость молекул). Таким образом, вязкость газов тем больше, чем больше их молекулярная масса. Она увеличивается также с повышением давления, поскольку при этом растёт концентрация газа. Отсюда также становится понятным, что чем выше температура газа, тем больше скорость теплового движения и интенсивней обмен молекулами ме­жду его слоями, а, следовательно, тем больше коэффициент вязкости этого газа.

2. Определение вязкости воздуха по методу Пуазейля

2.1. Теория метода

При ламинарном движении жидкостей и газов по гладким цилиндрическим трубам расход Q (объем жидкости или газа, протекающих через поперечное сечение трубы за время D t ), зависит от ее вязкости, диаметра трубы, ее длины и разности давления на ее концах. Соответствующее соотношение было выведено Пуазейлем и носит его имя.

Q= D p p r⁴ D t/8 h l , (1)

В нее входят перепад давления D p на концах трубы, её радиус r , длительность течения D t , коэффициент вязкости h , длина трубы l .

На основании этого соотношения разработан и широко применяется метод измерения вязкости жидкостей и газов - метод Пуазейля. [3]

Для газов метод предполагает измерение расхода газа при его ламинарном протекании по гладкому, тонкому, капиллярному каналу с известными размерами и при контролируемой разности давлений. В данной работе по методу Пуазейля определяется вязкость неосушенного и неочищенного воздуха. Хотя известно, что эти параметры оказывают большое влияние на величину вязкости газов. В установках для точных измерений воздух перед поступлением в капилляр осушают различными, чаще всего химическими осушителями. Важно также помнить, что вязкость газов в большой степени зависит от их температуры, что также предусмотрено в лабораторных приборах.

2.2. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка для определения воздуха (рис. 2) состоит из сосуда - 1 со сливным шлангом - 2, капилляра -3, мерительного стакана -4 и жидкостного манометра - 5. Перед опытом сосуд заполняется водой. При опущенном шланге 2 вода из сосуда вытекает и давление становится ниже атмосферного. Так создается перепад давлений воздуха на концах А и В капилляра 3. Он измеряется манометром 5. Этот перепад давлений создает поток воздуха через капилляр, при этом объем вытекшей воды равен объему воздуха, прошедшего через капилляр.

Расчетная формула для определения коэффици­ента вязкости по методу Пуазейля имеет вид:

h = D p p r⁴ D t/8lQ , (2)

где – r радиус капилляра, l - его длина, Q - объем прошедшего через капилляр воздуха (равен объему вы­текшей из сосуда жидкости), D р - перепад давле­ний на концах капилляра (показание манометра), D t - время протекания воздуха через капилляр.

Ход выполнения работы

1. Закрепите сливной шланг в верхнем по­ложении. Заполните сосуд 7 водой и плотно закрепите пробку с капилляром в его горловине.

2. Опустите сливной шланг вниз, подставив под него мерный сосуд. Измерьте секундомером время t , в течение которого из сосуда вытечет объем Q =200 см³ воды.

3. Измерьте в это же времени перепад давлений D р по манометру.

Примечание: При постепенном понижении уровня воды в сосуде скорость истечения уменьшается. Это приводит к изменению перепада давлений воздуха на концах капил­ляра. Поэтому необходимо брать среднее за время опыта значение D р.

4. По формуле (2) вычислите вязкость воздуха.

5. Опыт повторите не менее пяти раз. Результаты занесите в таблицу 2 отчета.

6. Оцените относительную погрешность измерения вязкости воздуха. Погрешности измерений диаметра и длины капилляра возьмите из «паспорта» прибора.

9. В выводе сравните полученное значение вязкости воздуха с табличным значением (h = 1,8 × 1 0^-5 Па × с при 18^о С)

Дополнительное задание

1. Вычислите плотность воздуха по формуле ρ= pM / RT , где М = 0,029 кг/моль – молярная масса воздуха, R - универсальная газовая постоянная, давление р и температуру Т измерьте по приборам в лаборатории.

2. Вычислите среднюю арифметическую скорость ν_ср молекул воздуха при данных условиях.