文档介绍：液体黏度的测量
物理学系
引言
黏滞性是指液体、气体和等离子体内部阻碍其相对流动的一种特性。如果在流动的流体中平行于流动方向将流体分成流速不同的各层,则在任何相邻两层的接触面上就有与面平行而与相对流动方向相反的阻力或曳力存在。液体的黏度在医学、生产、生活实践中都有非常重要的意义。例如,许多心血管疾病都与血液的黏度有关;石油在封闭的管道中输送时,其输运特性与黏滞性密切相关。本实验旨在学会使用毛细管和落球法测定液体黏度的原理并了解分别适用范围,掌握温度计、密度计、电子秒表、螺旋测微器、游标卡尺的使用,并学会进行两种测量方法的误差分析。
实验原理
落球法
当金属小圆球在黏性液体中下落时,它受到3个力,重力mg、浮力ρgV和粘滞阻力。如果液体无限深广,在下落速度v较小下,粘滞阻力F有斯托克斯公式
F=6πηrv (1)
r是小球的半径;η称为液体的黏度,其单位是Pa·,运动一段时间后,速度增大,达到三个力平衡,即
mg=ρgV+6πηrv (2)
于是小球作匀速直线运动,由(2)式,并用代入上式,并因为待测液体不能满足无限深广的条件,为满足实际条件而进行修正得
(3)
其中为小球材料的密度,d为小球直径,l为小球匀速下落的距离,t为小球下落l距离所用的时间,D为容器内径,H为液柱高度。
毛细管法
若细圆管半径为r,长度为L,细管两端的压强差为,液体黏度为,则其流量Q可以由泊肃叶定律表示:
(4)
由泊肃叶定律,再加上
图1 毛细管黏度计
当毛细管沿竖直位置放置时, 应考虑液体本身的重力作用。因此,可以写出
(5)
本实验所用的毛细管黏度计如图1所示,实验时将一定量的液体注入右管,用吸球将液体吸至左管。保持黏度计竖直,然后让液体经毛细管流回右管。设左管液面在C处时,右管中液面在D处,两液面高度差为H,CA间高度差为h1,BD间高度差为h2。因为液面在CA及BD两部分中下降及上升的极其缓慢(管泡半径远大于毛细管半径),液体内摩檫损耗极小,故可近似作为理想液体,且流速近似为零。设毛细管内液体的流速为v,由伯努利方程可推得
(6)
由于实际情况下不易测量,本实验采用比较测量法,即使用同一支毛细管黏度计,测两种不同液体流过毛细管的时间。测量时取相同的体积密度分别为和的两种液体,分别测出两种液体的液面从C降到A(体积为V)所需的时间t1和t2,由于r、V、L都是定值,因此可得下式
和(7)
(7)中的两式相比可得
(8)
式中和分别为两种不同液体的黏度,若已知、和,只要测出t1和t2就可求出第二种液体的黏度。这种方法就叫做比较测量法。
实验装置及过程
实验装置
落球法:落球法黏度测量仪1套(包括铁架台,盛有蓖麻油的长试管和铅垂线);千分尺、游标卡尺各1把,电子秒表1只(型号12003-1A),玻璃皿1个;1m钢尺,盛有蓖麻油的量筒1个(内悬温度计、密度计各1根)。
毛细管法:奥氏黏度计;分析纯无水乙醇、蒸馏水;密度计、温度计、秒表;烧杯、移液管、洗耳球;
实验过程
落球法:调节玻璃圆筒铅直。调整标志线位置,用钢尺测量并记录位置,此实验中选了三条。投下第1颗小钢珠前记录室温,测完最后1颗小钢珠的下落时间后再记录油温,两者求平均;分别测量5颗小钢珠的直径和