Тема. Фізичні властивості рідини. Дослідження в’язкості рідини

Олена Петрівна Колісник

Катерина Володимирівна Бауман

Редактор В. О. Дружиніна

Коректор З. В. Поліщук

Відповідальний за випуск зав. каф. Г. С. Ратушняк

Рецензенти: В. О. Пішенін, кандидат технічних наук доцент

О. В. Березюк, кандидат технічних наук доцент

Зміст

Лабораторна робота №1. Прилади для вимірювання тиску рідин та газів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота №2. Фізичні властивості рідини. Дослідження в’язкості рідини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота №3. Дослідження рівняння Бернуллі для крапельних рідин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторна робота №4. Дослідження режимів руху рідин . . . . . .
Лабораторна робота №5. Визначення коефіцієнта Шезі . . . . . . . . . .
Лабораторна робота №6. Визначення коефіцієнтів місцевих опорів
Література . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Додатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Тема. Прилади для вимірювання тиску рідин та газів

Мета роботи

1. Ознайомлення з основними одиницями та приладами для вимірювання тиску рідин та газів.

2. Отримання практичних навичок в користуванні приладами для вимірювання тиску.

3. Експериментальне знаходження тиску у заданому об’ємі рідини чи газу за допомогою різних спеціальних приладів.

4. Ознайомлення з методами визначення точності приладів для вимірювання тиску. Абсолютна, відносна і приведена похибки вимірювань.

5. Ознайомлення з поняттям клас точності манометра та принципами позначення різних типів манометрів.

Загальні відомості

Прилади для вимірювання тиску у рідині чи газі класифікують за різними ознаками.

За принципом дії: рідинні, газові, пружинні, поршневі, мембранні, електричні, комбіновані, та інші.

За характером вимірювання величини:

- для вимірювання: атмосферного тиску (барометри), вакууму (вакуумметри), надлишкового тиску (манометри), абсолютного тиску (манометри абсолютного тиску), різниці тисків у двох точках (диференціальні манометри), малих надлишкових тисків (мікроманометри).

Рідинні прилади. Ртутний барометр (рис. 1.1) складається з відкритої чаші, заповненої ртуттю, і скляної трубки, верхній кінець якої запаяний, а нижній опущений під рівень ртуті. Повітря з трубки попередньо відкачують, внаслідок чого трубка заповнюється ртуттю під силою атмосферного тиску на висоту . Для відліку цієї висоти є лінійна шкала. Найпростішим рідинним манометром є п’єзометр.

- подібний рідинний манометр. Це -подібна скляна трубка, заповнена до певного рівня робочою рідиною. Кінець одного коліна приєднаний до місця вимірювання, а кінець другого або відкритий і сполучений з атмосферою, або з нього відкачане повітря і він запаяний. У манометрах із запаяним кінцем різниця рівнів рідини в обох колінах дає абсолютний тиск у міліметрах робочої рідини.

Для вимірювання різниці тисків у двох точках застосовують диференціальні манометри (рис. 1.2). Якщо рідина в резервуарах має однакову густину, то різницю тисків у двох точках ( ), розташованих на однакових висотах, визначають за формулою

, (1.1)

де - густина робочої рідини.

Для більшої точності при вимірюванні малих тисків застосовують ртутно-чашкові мікроманометри (рис. 1.3), манометри з похилою трубкою і накладною шкалою.

Показанням такого приладу є величина , яка вимірюється зміщенням рідини в трубці:

. (1.2)

де - густина робочої рідини,

l – висота підняття рідини в похилій трубці,

α – кут нахилу похилої трубки.

Точність приладу зростає при зменшенні кута α.

Завдяки простоті будови, високій точності вимірювань, стабільно­сті показів рідинні прилади широко застосовують у лабораторній практиці. Основним недоліком їх є вузькість діапазону вимірюваних тисків, ламкість скляних трубок, необхідність застосовувати ртуть для збільшення діапазону вимірювань. Там, де треба вимірювати великі тиски, застосовують металеві манометри.

Металеві манометри. Металеві манометривиготовляють двох типів: пружинні і мембранні (рис. 1.4). Принцип дії манометра такий. Із місця вимірювання тиску в зігнуту латунну трубку із запаяним кінцем через відкритий кінець її надходить рідина. Під дією тиску рідини трубка (пружина) частково розпрямляється (в манометрі) або більше згинається (в вакуумметрі). Через зубчасту передачу зміна положення кінця трубки передається стрілці приладу, яка показує на градуйованій шкалі величину тиску.

Основним елементом мембранного манометра є латунна або стальна пластинка ( мембрана ), що затиснута поміж двома фланцями приладу і зв’язана передаточним зубчастим механізмом із вказівною стрілкою. При тискові середовища знизу мембрана вигинається вверх, діючи через передавальний механізм на стрілку і заставляє її повертатися на циферблаті вправо. Цей прилад, як і пружинний манометр, показує надлишковий тиск середовища.

Межі допустимих похибок при вимірюванні тиску манометром виражаються відповідно до ГОСТ 13600-88 в абсолютних, відносних або приведених величинах.

Рисунок 1.1 – Схема рідинного манометра

Рисунок 1.2 – Схема диференціального манометра

а)

б)

Рисунок 1.3 – Схема мікроманометрів: а) ртутно-чашковий манометр,

б) манометр з похилою трубкою і накладною шкалою

а)	б)

Рисунок 1.4 – Схема металевих манометрів:

а) пружинний, б) мембранний

Абсолютна похибка являє собою різницю між показами манометра і істинним (дійсним) значенням і виражається в одиницях вимірювання тиску. Абсолютна похибка характеризує відхилення як у сторону збільшення, так і в сторону зменшення пока­зів у порівнянні із істинним значенням:

± , (1.3)

де - постійна величина.

Відносна похибка визначається за формулою

=±100 / , (1.4)

приведена похибка - визначається за формулою

±100 / , (1.5)

де – дійсне (виміряне) значення величини;

– нормуюче значення.

Нормуюче значення - для манометрів і вакуумметрів встановлюється рівним кінцевому значенню робочої частини шкали, для мановакуумметрів - сумі кінцевих значень манометричної та вакуумметричної частин шкали (практично до кінцевого значення манометричної частини шкали додається 10⁵ Па (1 кг/см²).

Клас точності манометра визначає допустиму приведену похибку і чисельно дорівнює їй. Для кожного манометра допустима абсолютна похибка однакова для всього діапазону вимірювань і залежить від класу точності приладу і кінцевого значення шкали, а відносна похибка зменшується із збільшенням вимірюваної величини . А тому працювати на початковій ділянці шкали недоцільно, тому що при певному класі точності манометра абсолютна і відносна похибки, за якими оцінюється точність вимірювань, будуть тим менші, чим менші кінцеві значення шкали манометра. Так, наприклад, при вимірюванні тиску 4 МПа (40 кг/см²) манометром класу точності і при кінцевому значенні шкали 6 МПа (60 кг/см²) допустимі похибки =0,06 МПа (0,6 кг/см²) і = 1,2 %, а при кінцевому значенні шкали 16 МПа (160 кг/см²) - = 0,16 МПа (1,6 кг/см²) і = 4 %. В останньому випадку отримана низька точність вимірювань, яка відповідає манометру досить низького 4 класу точності із кінцевим значенням шкали 4 МПа (40 кг/см²).

Відповідно до ГОСТ 2405-82 зміна показів приладів в залежності від температури навколишнього повітря не повинна перевищувати значень, визначених за формулою

± , (1.6)

де – приведена похибка при температурі ;

– будь-яке значення температури в межах діапазону експлуатаційних температур для даного приладу;

– будь-яке значення температури в межах діапазону, обумовленого для визначення основної похибки приладу;

різниця враховується за абсолютним значенням.

Основну похибку і варіацію показів манометрів визна­чають за ГОСТ 15614-80, зразкових - за ГОСТ 8.161-85. При визначен­ні основної похибки температура навколишнього повітря повинна бути (20 ± 2)°С - для приладів класу точності 0,4 та 0,6; (20 ± 3)°C - для приладів класу точності 1; (20 ± 5)°С - для приладів класу точності 1,5; 2,5 і 4.

Обладнання

Демонстраційні плакати із схемами приладів, діючі зразки приладів для вимірювання тиску (барометри, п’єзометри, диференціальні манометри, чашкові мікроманометри, пружинні та мембранні манометри).

Хід виконання роботи

1. Перед початком роботи ознайомитись з будовою приладів для

визначення тиску у замкнутих об’ємах рідин та газів.

2. За допомогою наданих викладачем приладів визначити тиск у рідинних та газових середовищах, отримані дані занести в таблицю 1.1.

3. Використовуючи вищенаведені формули та додаток А визначити значення абсолютних, відносних та приведених похибок.

4. Розрахунки звести в таблицю 1.1.

Таблиця 1.1 – Таблиця результатів

Показники	Позначення	Розмірність	Досліди
Дійсне (виміряне) значення величини		кг/см2
Па
Нормуюче значення		кг/см2
Па
Температура приміщення		0С
Значення температури в межах діапазону, обумовленого для визначення основної похибки приладу		0С
Відносна похибка		%
Приведена похибка		%
Залежність похибки при вимірюванні тиску манометрами від температури навколишнього повітря

Контрольні запитання

1. В яких одиницях вимірюється тиск?

2. Які способи і прилади вимірювання тиску у рідині вам відомі?

3. Які принципи дії покладаються в основу роботи приладів для вимірювання тиску?

4. Охарактеризуйте рідинні прилади для вимірювання тиску.

5. Охарактеризуйте відомі вам види металевих манометрів.

6. Що таке абсолютна, відносна та приведена похибки манометрів? Які формули застосовуються для їх розрахунків?

7. Як залежать похибки при вимірюванні тиску манометрами від температури навколишнього повітря?

8. Що таке клас точності манометра? Наведіть приклади.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

Тема. Фізичні властивості рідини. Дослідження в’язкості рідини

Мета роботи

1. Засвоїти такі фізичні параметри (характеристики) рідини, як:

- питома вага;

- гуcтина;

- стисливість;

- в'язкість.

2. Користуючись віскозиметром Енглера, розрахувати коефіцієнти кінематичної в’язкості досліджуваних рідин.

3. За додатком Б визначити рідини, що досліджувалися.

Загальні відомості

Рідиною називається фізичне тіло, здатне зберігати об'єм, але не здатне самостійно зберігати форму. Перша властивість наближає рідину до твердого тіла, друга – до газу. Наведені властивості не є абсолютними. Рідини під дією тиску змінюють свій об'єм, хоча і значно менше ніж гази. Всі рідини чинять опір зміні форми, переміщенню однієї частини об'єму відносно іншої, хоча й менше ніж тверді тіла.

Рідини поділяють на два класи:

- стисливі рідини або газоподібні (гази).

- дуже малостисливі рідини або краплинні рідини.

Газизаповнюють увесь наданий їм об'єм; не утворюють вільної поверхні; легко змінюють об'єм під час розширення або стиснення; чинять дуже малий опір зсуву (малов'язкі) і майже не протидіють розтягуванню.

Краплинні рідиниутворюють вільну поверхню; майже не змінюють свого об'єму при деформаціях; чинять дуже великий опір стисненню і невеликий – зсуву; майже не протидіють розтягуванню.

Якщо не змінюється об'єм чи температура, поведінка газу, який заповнює той же простір і не має вільної поверхні, якісно майже не відрізняється від поведінки краплинної рідини.

У цих випадках закони будуть одночасно справедливі як для краплинних, так і для газоподібних рідин. Отже, під рідиною в широкому розумінні цього слова розуміють краплинні рідини й гази.

В інженерних розрахунках, а також для розв'язання ряду практичних задач, пов'язаних із гідравлічними та аеродинамічними машинами, необхідно знати такі фізичні параметри (характеристики) рідини: питому вагу, в'язкість, густину, стисливість, теплове розширення тощо.

Питома або об'ємна вага - це вага одиниці об'єму рідини. Для однорідних рідин її визначають за формулою

, (2.1)

де G – вага рідини, Н;

W – об'єм рідини, м^З;

γ - питома вага, Н/м³.

Гуcтина – це маса рідини в одиниці об'єму. Для однорідної рідини, маса якої рівномірно розподілена по її об'єму, густину визначають відношенням маси рідини до її об'єму.

Між густиною та питомою вагою існує залежність:

. (2.2)

Інколи в техніці використовують відносну густину.

Відносною густиною називається відношення густини даної рідини до густини води при температурі 277 °К (4 °С):

Густина рідини дещо змінюється зі зміною температури та тиску. Вона, як правило, збільшується з підвищенням тиску. Всі рідини, крім води, характеризуються зменшенням густини зі збільшенням температури. Густина води найбільша при t=4 °С (277 °К) та вона зменшується як із зменшенням, так і збільшенням температури від цього значення. В цьому проявляється одна з аномальних властивостей води.

Густина газу зменшується з підвищенням температури. Для так званих досконалих (ідеальних) газів залежність густини від температури визначається рівнянням Клапейрона

, (2.3)

де р – тиск, Н/м²;

g – прискорення сили земного тяжіння м/с²;

R – універсальна газова стала для повітря R = 287Дж/кг К;

Т - абсолютна температура, яка дорівнює (273,15 + t ⁰С),К⁰.

Стисливість - властивість рідини змінювати свій об'єм під дією тиску. Стисливість оцінюється коефіцієнтом об'ємної стисливості, який показує відносну зміну об'єму на одиницю тиску:

, м²/Н, (2.4)

де W₀ –початковий об'єм;

dW – елементарна зміна об'єму;

dр – елементарна зміна тиску.

При розв’язуванні звичайних гідравлічних задач краплинні рідини вважають нестисливими. Однак, у задачах, де рідина буде під значним тиском, виникає потреба вводити поправку на її стисливість.

На відміну від краплинних рідин, гази зазнають сильного стискання, внаслідок чого густина і питома вага їх залежать від тиску.

В’язкість рідини – це властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню частинок, тобто зміні форми чи об'єму рідини. Вона обмежує текучість і проявляється переважно як опір силам зсуву, а також як опір силам розтягу.

В'язкість у краплинних рідинах зумовлена взаємним притяганням молекул, а в газоподібних – обміном молекул між шарами під час їх руху (переміщення) із шару в шар. Із підвищенням температури в рідині посилюється молекулярний рух, порушуються зв'язки між молекулами і в'язкість її зменшується, а в газах – навпаки, в'язкість зростає. Вона проявляється тільки під час руху рідини. В'язкість рідини – властивість, протилежна текучості. Більш в'язкі рідини менш текучі й навпаки.

В'язкість - це основна ознака, якою реальна рідина відрізняється від ідеальної (такої умовної рідини, у якої в'язкість відсутня). Для більшості рідин в'язкість є фізичною константою, яка змінюється для даної рідини тільки зі зміною температури та тиску і не залежить від швидкості руху рідини. В'язкість рідини характеризується двома коефіцієнтами в'язкості: динамічним і кінематичним. З підвищенням температури в'язкість газів збільшується відповідно до співвідношення

, , (2.5)

де n = 0,76 - для повітря;

μ – в’язкість при нормальній температурі.

В'язкість крапельних рідин, як правило, з підвищенням температури зменшується.

Величину, обернену до динамічного коефіцієнта в'язкості, називають текучістю.

Для практичних розрахунків замість динамічного коефіцієнта в’язкості зручніше використовувати кінематичний коефіцієнт в’язкості. Він визначається відношенням коефіцієнта динамічної в’язкості до густини рідини

. (2.6)

Відомо, що , тоді наближено .

Значення кінематичної в’язкості для деяких рідин при температурі 20 ⁰С наведено в додатку Б.

Обладнання

Тривалий час основним приладом для визначення в’язкості був віскозиметр Енглера, за допомогою якого значення в’язкості визначають в умовних градусах Енглера (див. рис.2.1).

Градус Енглера (⁰Е) - це відношення часу витікання з приладу 20 см³ досліджуваної рідини до часу витікання такого ж об'єму води при температурі 20 ⁰С.

Рисунок 2.1 - Віскозиметр Енглера

Основною частиною цього приладу є латунний резервуар із сферичним дном 1, в центрі якого влаштований отвір. За допомогою стержня 2 отвір перекривається. Резервуар 1 розміщений у водяній бані 3, що підігрівається за допомогою нагрівача 4. Температура досліджуваної рідини в резервуарі 1 та води у водяній бані 3 визначається за допомогою термометрів 5 та 6, відповідно. При відкритті отвору рідина з резервуара 1 стікає в ємність 7.

Хід виконання роботи

1. Залити в резервуар 1 20 см³ досліджуваної рідини, потім за допомогою нагрівача 4 і водяної бані 3 нагріти рідину до температури 20 °С. За процесом зміни температури слідкують за допомогою термометрів 5 і 6. Підіймаючи стержень 2, визначити термін витікання досліджуваної рідини через калібрований отвір у ємність 7.

2. В такій самій послідовності розрахувати час витікання дистильованої води через калібрований отвір у ємність 7.

3. За формулою (2.7) визначити в’язкість досліджуваної рідини в умовних градусах Енглера.

. (2.7)

4. Кінематична в'язкість через градус Енглера розраховується за формулою Убелоді

(м²/с). (2.8)

5. За додатком Б для розрахованого значення кінематичної в’язкості визначити досліджувану рідину.

6. Виміряні та розраховані дані занести до таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 – Таблиця результатів

Найменування	Позначення	Розмірність	Досліди
1. Температура досліджуваної рідини	t	0C
2. Час витікання досліджуваної рідини через отвір	τр	с
3. Час витікання води через отвір	τв	c
4. В’язкість досліджуваної рідини в умовних градусах Енглера	Е0	–
5. Кінематичний коефіцієнт в’язкості досліджуваної рідини	ν	м2/с
6. Рідина	–	–

Контрольні запитання

1. Що таке рідина?

2. На які класи поділяються рідини?

3. Що характеризує питома вага рідини?

4. Що називається густиною, відносною густиною рідини?

5. Що таке стисливість?

6. Що називається в’язкістю рідини?

7. Чим характеризується в’язкість?

8. Як називається величина обернена до динамічного коефіцієнта в'язкості?

9. Яка залежність між динамічним та кінематичним коефіцієнтом в’язкості?

10. Запишіть формулу визначення кінематичної в'язкості через градус Енглера (формулу Убелоді)?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3