Определение коэффициента теплового расширения жидкости
Гидравлика и гидрология
для специальности 271501.65 – Строительство железных дорог, мостов и тоннелей
Лабораторные работы
Часть 1. Гидравлика и гидрология
Красноярск 2012
УДК 533(075.8)
Гидравлика и гидрология: Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов очной формы обучения специальности для специальности для специальности 271501.65 – Строительство железных дорог, мостов и тоннелей. Часть 1. /Сост. А. А. Никитин. Красноярск: КрИЖТ ИрГУПС, 2012. – 16 с.
Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Гидравлика и гидрология», включающего учебную программу, конспект лекций, методические указания по выполнению лабораторных работ, методические указания к решению задач.
Методические указания по выполнению лабораторных работ содержат описание и методику проведения лабораторных работ по дисциплине «Гидравлика и гидрология». В каждой работе приводятся необходимые теоретические сведения, дается описание опытной установки, указывается порядок выполнения работы и обработки полученных экспериментальных данных.
Методические указания предназначены для студентов очной форм обучения специальности 271501.65 – Строительство железных дорог, мостов и тоннелей.
Рекомендованы к печати методическим советом КрИЖТ ИрГУПС
Печатается в авторской редакции
Ó Никитин А. А.
Ó Красноярский институт железнодорожного транспорта
РАБОТА 1. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
Цель работы. Освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.
Общие сведения
Жидкостью называют малосжимаемое тело, изменяющее свою форму под действием весьма малых сил. Основные характеристики жидкости - плотность, сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и поверхностное натяжение.
Плотность - отношение массы m жидкости к её
объему W: = m/W.
Сжимаемость - свойство жидкости уменьшать объем под действием давления. Она оценивается коэффициентом сжимаемости bР, показывающим относительное уменьшение объема жидкости W при повышении давления р на единицу:
bР = (DW/W) / Dр.
Тепловое расширение - свойство жидкости изменять объем при нагревании - характеризуется коэффициентом теплового расширения bТ, равным относительному приращению объема W с изменением температуры Т на один градус при постоянном давлении: bТ = (DW/W) / DT. Как правило, при нагревании объем жидкости увеличивается.
Вязкость - свойство жидкости сопротивляться относительному скольжению ее слоев. Ее оценивают динамическим коэффициентом вязкости m, который измеряется в паскаль-секундах (Па×с) и равен касательному напряжению между соседними слоями, если их относительная скорость перемещения численно совпадает с толщиной слоя. Кинематический коэффициент вязкости n определяют из формулы n = m / r и измеряют квадратными метрами на секунду (м2/с) или стоксами (1 Ст = 1 см2/с). Эти коэффициенты определяются видом жидкости, не зависят от скорости течения, существенно уменьшаются с возрастанием температуры.
Поверхностное натяжение – свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул - характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения s, равным силе на единице длины контура свободной поверхности. Значения r, bР, bТ, n и s при 20 оС указаны в табл.1.1.
Таблица 1.1
| Жидкость | r, кг/м3 | bР×103, МПа-1 | bТ×103, ОС -1 | n×106, м2/с | s×103, Н/м |
| Вода пресная | 0,49 | 0,15 | 1,01 | ||
| Спирт этиловый | 0,78 | 1,10 | 1,52 | ||
| Масло: | |||||
| моторное М-10 | 0,60 | 0,64 | |||
| индустриальное 20 | 0,72 | 0,73 | |||
| трансформаторное | 0,60 | 0,70 | |||
| АМГ - 10 | 0,76 | 0,83 |
Описание устройства № 1
Устройство для изучения физических свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в общем прозрачном корпусе (рис. 1.1), на котором указаны параметры для обработки опытных данных. Приборы 3-5 начинают действовать при перевертывании устройства № 1. Термометр 1 показывает температуру окружающей среды и, следовательно, температуру жидкостей во всех устройствах.
Порядок выполнения работы
Определение коэффициента теплового расширения жидкости
Термометр 1 имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненные термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на тепловом расширении жидкостей. Варьирование температуры окружающей среды приводит к соответствующему изменению объема термометрической жидкости и ее уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.
 |
Рис. 1.1. Схема устройства №1:
1 - термометр; 2 - ареометр; 3 - вискозиметр Стокса;
4 - капиллярный вискозиметр; 5 – сталагмометр
Коэффициент теплового расширения термометрической жидкости определяется в следующем порядке на основе мысленного эксперимента, т.е. предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) до верхнего предельных значений термометра и уровень жидкости в капилляре возрос на величину l.
1. Подсчитать общее число градусных делений DТ в шкале термометра и измерить расстояние l между крайними штрихами шкалы.
2. Вычислить приращение объема термометрической жидкости DW =p r2l, где r - радиус капилляра термометра.
3. С учетом начального (при 0 ОС) объема термометрической жидкости W найти значение коэффициента теплового расширения bТ= (DW/W) / DT и сравнить его со справочным значением b*Т (табл. 1.1). Значения используемых величин занести в таблицу 1.2.
Таблица 1.2
| Вид жидкости | r, см | W, см3 | DТ, ОС | l, см | DW, см3 | bТ, ОС -1 | b*Т, ОС -1 |
| Спирт |
1.3.2. Измерение плотности жидкости ареометром
Ареометр 2 служит для определения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части. Благодаря грузу ареометр плавает в исследуемой жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована сразу по плотности.
В ходе работы выполнить следующие операции.
1. Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нем.
2. Вычислить плотность жидкости по формуле r = 4m/(pd2h), где m и d – масса и диаметр ареометра. Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G=mg и выталкивающей (архимедовой) силы PA=rgW, где объем погруженной части ареометра W=(pd2/4)h.
3. Сравнить опытное значение плотности r со справочным значением r* (см. табл.1.1). Значения используемых величин свести в таблицу 1.3.
Таблица 1.3
| Вид жидкости | m, г | d, см | h, см | r, г/см3 | r*, г/см3 |
| Вода |
1.3.3. Определение вязкости вискозиметром Стокса
Вискозиметр Стокса 3 достаточно прост, содержит цилиндрическую емкость, заполненную исследуемой жидкостью, и шарик. Прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени падения шарика в ней следующим образом.
1. Повернуть устройство № 1 в вертикальной плоскости на 180о и зафиксировать секундомером время t прохождения шариком расстояния l между двумя метками в приборе 3. Шарик должен падать по оси емкости без соприкосновения со
стенками. Опыт выполнить три раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t.
2. Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости
n = g d2 t (rш/r -1) / [18l + 43.2l (d/D)],
где g – ускорение свободного падения; d, D – диаметры шарика и цилиндрической емкости; r, rш - плотности жидкости и материала шарика.
3. Сравнить опытное значение коэффициента вязкости n с табличным значением n* (см. табл.1.1). Значения используемых величин свести в таблицу 1.4.
Таблица 1.4