Исследование и измерение коэффициента вязкости жидкостей

17

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №12 с углубленным изучением отдельных предметов»

Исследование и измерение коэффициента вязкости жидкостей

Исследовательская работа

Выполнена ученицей

9 класса МБОУ «СОШ №12 с УИОП»

г. Старый Оскол, Белгородской области

Селезневой Анастасией Романовной

Научный руководитель:

учитель физики

Брызгунова Ирина Николаевна

учитель биологии

Сотникова Валентина Анатольевна

Старый Оскол, 2017 г.

Оглавление

Введение

Разработка старых и освоение новых нефтяных, газовых и газоконденсатных месторождений в России и за рубежом требует решение все более сложных научных, технических и экономических задач. Проблемы, которые существуют в нефтяной и газовой отрасли показывает необходимость некоторых вопросов, касающихся свойств жидкостей и газов. Одним из параметров жидкостей и газов является вязкость, учёт этого параметра необходим при добыче, транспортировке и переработке нефти, газа и т.д. Разработка месторождений и перекачка нестабильных углеводородных систем требует определения вязкости таких сред. В последнее время разрабатываются месторождения нефти, среди которых часто встречаются нефти с неньютоновским поведением. Неньютоновская зависимость вязкости от скорости течения требует определённые требования к транспортировке таких сред. Интенсивное развитие технологии добычи, транспортировки и переработки сырья требует расширения представлений о вязкости.

Объект исследования: неньютоновские жидкости(смесь крахмала с водой, бензин, масло подсолнечное)

Предмет исследования: коэффициент вязкости неньютоновских жидкостей

Цель работы: исследовать коэффициент вязкости неньютоновских жидкостей с помощью опытов.

Задачи:

1. Изучить теорию о неньютоновских жидкостях;

2. Теорию подтвердить научными экспериментами.

В ходе работы мною был проведен подбор и анализ используемых источников информации:

1. Бретшнайдер Ст. Свойства газов и жидкостей.-М.-Л.:Химия,1966.

2. Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Молекулярные механизмы вязкости жидкости. Часть I. Основные понятия. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. – 59с.

3. Никулин С.С. Определение вязкости жидкости методом Стокса. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 12с.

4. Рид Р.Г., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие — Л.: Химия, 1982. — 592 c.

5. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. – М.: Энерго-атомиздат, 1984. – 640с.

6. http://window.edu.ru/resource/253/46253/files/gubkin04.pdf

Методы: практический, теоретический, эксперимент.

Новизна исследования состоит в том, что в ходе эксперимента исследовали коэффициент вязкости неньютоновских жидкостей.

Теоретическая значимость заключается в рассмотрении теоретических аспектов по теме вязкости жидкостей

Практическая значимость состоит в проведении экспериментов, в ходе которых исследовали неньютоновские жидкости и измеряли коэффициент вязкости.

Место и сроки проведения работы: с сентября 2016 года – ноябрь 2016 года в МБОУ «СОШ №12 с УИОП».

Глава 1

1.1 Вязкость и реология

Ньютон пришел к изучению течения жидкостей, когда пытался моделировать движение планет Солнечной система посредством вращения цилиндра, изображавшего Солнце, в воде. В своих наблюдениях он установил, что если поддерживать вращение цилиндра, то оно постепенно передаётся всей массе жидкости. Впоследствии для описания подобных свойств жидкостей стали использовать термины «внутреннее трение» и «вязкость», получившие одинаковое распространение. Исторически, эти работы Ньютона положили начало изучению вязкости и реологии.

Дальнейшее развитие реология получила в работах Пуазейля с целью изучения закономерностей течения крови с сосудах. Все работы и привели его к открытию закона. Он установил, что количество воды, протекающей по трубке, прямо пропорционально четвертой степени диаметра трубки и первой степени давления. Далее благодаря Бернулли, Дарси, Кулону, Навье, Стоксу, Шведову были выполнены работы по изучению вязкости. С тех пор все большее число исследователей занимаются проблемами вязкости и реологии, в связи с их большой значимостью для практики.

В настоящее время структурно-механические свойства тел и сред исследуют методами реологии – науки о деформациях и течении материальных систем. Собственно, реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений. Методы реологии широко используются для описания вязких свойств самых различных систем.[2]

1.2 Коэффициенты вязкого течения

При движении вязкой среды возникает сопротивление, подобное сопротивлению при перемещении тела вдоль поверхности. Поэтому явление вязкости можно определить как проявление сопротивления среды при перемещении одного ее внутреннего слоя относительно другого. Вязкость можно определить и как свойство, благодаря которому выравниваются скорости движения соседних слоёв жидкости или газа.

Основными количественными характеристиками вязкости являются динамический коэффициент вязкости η и кинематический коэффициент вязкости ν.

Они связаны соотношением ν = , ρ – плотность среды.

Иногда используют величину, обратную динамическому коэффициенту вязкости = , которая называется коэффициент текучести.

В международной системе единиц (СИ) единицей динамической вязкости является

1 Па с = 1 = 1 = 10 П

Величина равная 1 , называется стоксом.

Динамический и кинематический коэффициент вязкости в значительной мере зависит от температуры. Вязкость жидкостей убывает с возрастанием температуры, в то время как вязкость газов обычно увеличивается.[2]

1.3 Течение в жидкостях

Так как явление вязкости определяется характером движения и взаимодействия молекул данного вещества друг с другом, то количественное изучение этого явления – измерение коэффициентов вязкости, имеет значение не только для техники и производства, но и позволяет получить существенные сведения о молекулярном движении и взаимодействии в веществе. Существуют границы применимости различных методов измерения вязкости, которые во многом определяются изменением характера течения жидкости.

Большинство течений жидкостей и газов как в природе (воды в морях, реках, водопадах и т.д.), так и в технических устройствах (трубах, каналах, струях, в резких изгибах профилей труб и т.д.). Это необходимо учитывать при проектировании и перестройке технических объектов: гидротехнических сооружений, турбинных установок, газо-и нефтепроводных магистралей, насосов и т.д.[2]

Глава 2

Экспериментальная часть

2.1 Неньютоновская жидкость

Идеальная жидкость, то есть жидкость, движущаяся без трения, является абстрактным понятием. Всем реальным жидкостям в большей или меньшей степени присуща вязкость или внутреннее трение. Вязкость проявляется в том, что возникающее в жидкости движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается.

Проведем некоторые эксперименты с неньютоновскими жидкостями.[3]

Эксперимент №1 «Получение неньютоновской жидкости»

Цель: получить неньютоновскую жидкость и проверить, как она ведёт себя в обычных условиях.

Оборудование: вода, крахмал, чаша.

Ход эксперимента

1. Взяла чашу с водой и крахмал. Смешала в равных долях вещества.

2. Получилась белая жидкость.

Заметила, если мешать быстро, чувствуется сопротивление, а если медленнее то нет. Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик, при воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.

Эксперимент №2 «Изменение вязкости жидкости при вращении»

Цель: проверить, как изменяется вязкость жидкости.

Оборудование: два сосуда, вода, яичный желток.

Ход эксперимента

1. В сосуды поместили жидкости разного состава: вода, яичный белок.

2. Вращали стеклянной палочкой в стакане с водой и в стакане с яичным белком.

В стакане с белком жидкость поднималась у стенок стакан, а в стакане с водой собирается в центре вращения и поднимается по палке.

Заметила, что при вращении вязкость жидкости во втором случае уменьшается.

Эксперимент №3

«Вычисление коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса»

Вязкость – важная физико-химическая характеристика вещества. Величина, обратная вязкости, называется текучестью. Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу слоёв. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоёв жидкости медленнее движущийся слой жидкости «тормозит» слой, движущийся быстрее, и наоборот.Вязкость обусловлена наличием между отдельными частицами жидкости сил притяжения, которые при перемещении одной части жидкости относительно другой сдерживают движение слоёв.[3] Для измерения вязкости применяют ряд экспериментальных методов, основанных на различных принципах: метод Стокса, с помощью вискозиметра Гесса, метод Пуазейля.

С методом Стокса постараемся разобраться при помощи наглядных экспериментов.

Для определения вязкости жидкости по методу Стокса взяли высокий цилиндрический сосуд с жидкостью.

На сосуде имеются две кольцевые метки А и В, расположенные на расстоянии друг от друга. Расстояние между метками можно изменять.

Бросая шарик в сосуд, по секундомеру отмечаем время t прохождения шариком расстояния =АВ между двумя метками.

Так как на шарик, опущенный в жидкость, действуют три силы: сила тяжести, выталкивающая сила и сила сопротивления, то для силы тяжести и выталкивающей силы получаем выражения:

=

=

Преобразование этих формул путём подстановки выражения для скорости движения = и замены радиуса шарика rна диаметр d, получаем

𝛈 =

это уравнение справедливо лишь тогда, когда шарик падает в безграничной среде.

При попадании шарика радиусом rв цилиндрической трубке радиусом , высотой учёт влияния границдаёт

𝛈 = = =

Исходя из формулы, можно вычислить динамическую вязкость жидкости.

Для этого:

1. Измерим диаметр шариков с помощью штангенциркуля.

=

= = 0,0168 м

2. Вычислим радиус шариков

=

= = 0,0084 м

3. Будем опускать шарики в цилиндр с жидкостью (подсолнечное масло, бензин). В момент прохождения шарика мимо верхней метки включаем секундомер и останавливаем его в момент прохождения шарика нижней метки.

Подсолнечное масло марки Слобода

Бензин 92

4. Обработка полученных данных

п/п

Линейные

размеры шарика

Время движения шарика в подсолнечном масле

t, с

Время движения шарика в бензине

t, с

Скорость движения шарика в подсолнечном масле

, м/c

Скорость движения шарика в бензине

, м/c

Динамическая вязкость жидкости в подсолнечном масле

𝛈, Па с

Динамическая вязкость жидкости в бензине

𝛈, Па с

Диаметр шарика

d, м

Радиус шарика

r, м

1

0,017

0,0085

0,89

0,78

0,089

0,103

0,0014

0,0008

2

0,016

0,008

0,86

0,79

0,093

0,101

0,0013

0,0040

3

0,017

0,0085

0,84

0,76

0,095

0,105

0,0014

0,0038

4

0,017

0,0085

0,89

0,75

0,089

0,107

0,0013

0,0038

5

0,017

0,0085

0,87

0,79

0,091

0,101

0,0014

0,0040

6

0,017

0,0085

0,89

0,79

0,089

0,101

0,0014

0,0040

7

0,017

0,0085

0,86

0,79

0,093

0,101

0,0013

0,0040

8

0,016

0,008

0,86

0,78

0,093

0,103

0,0013

0,0008

9

0,017

0,0085

0,89

0,76

0,089

0,105

0,0014

0,0038

10

0,017

0,0085

0,86

0,78

0,093

0,103

0,0013

0,0008

Рассчитаем скорость шариков по следующей формуле =

Для подсолнечного масла расстояние между метками составляло 8 см = 0,08 м.

Для бензина расстояние между метками составляло 8 см = 0,08 м.

Скорость шарика в подсолнечном масле

= = (м/с). = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

= = м/с. = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

Скорость шарика в бензине

= = (м/с). = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

= = (м/с). = = (м/с).

Рассчитаем динамическую вязкость жидкости по следующей формуле

𝛈 =

Для подсолнечного масла

= = = 0,0014 (Па с);

= = = 0,0013 (Па с);

= = = 0,0013 (Па с);

= = = 0,0014 (Па с);

= = = 0,0013 (Па с);

= = = 0,0014 (Па с);

= = = 0,0013 (Па с);

= = = 0,0013 (Па с);

= = = 0,0014 (Па с);

= = = 0,0013 (Па с);

Для бензина

= = = 0,0008 (Па с);

= = = 0,0040 (Па с);

= = = 0,0038 (Па с);

= = = 0,0038 (Па с);

= = = 0,0040 (Па с);

= = = 0,0040 (Па с);

= = = 0,0040 (Па с);

= = = 0,0008 (Па с);

= = = 0,0038 (Па с);

= = = 0,0008 (Па с);

Результаты погрешности

По всем проводимым мной экспериментам, есть погрешность:

= ;

;

; = ;

….

;

Абсолютная погрешность эксперимента с подсолнечным маслом

= 0,00135;

= 0,0014 – 0,00135 = 0,00005;

= 0,0013 – 0,00135 = - 0,00005;

= 0,0014 – 0,00135 = 0,00005;

= 0,0013 – 0,00135 = - 0,00005;

= 0,0014 – 0,00135 = 0,00005;

= 0,0014 – 0,00135 = 0,00005;

= 0,0013 – 0,00135 = - 0,00005;

= 0,0013 – 0,00135 = - 0,00005;

= 0,0014 – 0,00135 = 0,00005;

= 0,0013 – 0,00135 = - 0,00005;

= =0.

Абсолютная погрешность эксперимента с бензином

= 0,002938;

= 0,0008 – 0,002938 = - 0,002138;

= 0,0040 – 0,002938 = 0,001062;

= 0,0038 – 0,002938 = 0,000862;

=0,0038 – 0,002938 = 0,000862;

= 0,0040 – 0,002938 = 0,001062;

= 0,0040 – 0,002938 = 0,001062;

= 0,0040 – 0,002938 = 0,001062;

= 0,0008 – 0,002938 = - 0,002138;

= 0,0038 – 0,002938 = 0,000862;

= 0,0008 – 0,002938 = - 0,002138;

= =0,000042.

1. 2. Анализ полученных результатов

Мной были проведены эксперименты по методы Стокса, для определения вязкости жидкости. Для обработки результатов использовала:

1. Цилиндр с разными жидкостями (подсолнечное масло, бензин);

2. Резиновые шарики

3. Пуская шарик, измеряла интервал времени

4. Посчитала коэффициент вязкости жидкостей

К сожалению, у моих экспериментов есть и недостатки: секундомер, цилиндр, шарики из резины. Ещё есть затруднение в том, что проверка опыта это трудоемкий процесс, так как использовала не одну жидкость.

Заключение

В результате проделанной работы был проведён обзор теоретических источников информации. Проведена серия экспериментов с неньютоновской жидкостью, рассчитала коэффициент вязкости подсолнечного масла и бензина.

По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. если мешаем быстро неньютоновскую жидкость, чувствуется сопротивление, а если медленнее то нет. При быстром движении такая жидкость ведёт себя как твердое тело;

2. при вращении вязкость жидкости уменьшается;

3. при проведении экспериментов сравнила вязкость жидкости с табличным значением, получила близкие данные по коэффициенту вязкости.

Список используемых источников

1. Бретшнайдер Ст. Свойства газов и жидкостей.- М.- Л.:Химия, 1966.

2. Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Молекулярные механизмы вязкости жидкости. Часть I. Основные понятия. – М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. – 59с.

3. Никулин С.С. Определение вязкости жидкости методом Стокса. – Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 12с.

4. Рид Р.Г., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие — Л.: Химия, 1982. — 592 c.

5. Штеренлихт Д.В. Гидравлика: Учебник для вузов. – М.: Энерго-атомиздат, 1984. – 640с.

6. http://window.edu.ru/resource/253/46253/files/gubkin04.pdf