液体粘度的测量实验报告
液体粘度的测量
物11
1、实验目的
1.1用旋转法测量液体的粘度,并作出粘度与温度的关系曲线
1.2了解并使用落球法和毛细管法等测量液体粘度的方法,观察液体中的内摩擦现象2、实验原理2.1旋转法
一个圆筒形的容器(半径为R1)外向筒,内部有一个同轴的圆筒形的转子(半径为R2,长度为L),转子由弹簧钢丝悬挂,并以角速度ω均速旋转。待测液体被装入两圆筒间的环形空间内。待测液体的粘度可用下式计算:
彭瑞光
M⎛11⎞⎜η=-⎟⎟4πLω⎜⎝R1R2⎠
(1)
其中,R1是外筒的内半径,R2是转子的内半径。M为转子受到液体的粘滞阻力而产生的扭矩。这样,通过转子角速度和扭矩的测定,就可以通过粘度计的几何尺寸计算出液体的粘度。
当电机以稳定的速度旋转,连接刻度圆盘,再通过游丝和转轴带动转子旋转(见示意图)。如果转子未受到液体的阻力,则游丝、指针与刻度圆盘同速旋转,指针在刻度盘上指出的读数为“O”。反之,如果转子受到液体的粘滞阻力,则游丝产生扭矩,与粘滞阻力抗衡最后达到平衡,这时与游丝连接的指针在刻度圆盘上指示一定的读数(即游丝的扭转角)。2.2落球法
如果一小球在各方向无限深广的液体中下落,由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动,因此小球受到粘滞阻力,它的大小与小球下落的速度有关。则小球所受到的粘滞阻力F可描述为:
F=6πηνγ(2)
式中:r是小球的半径,v是小球下落的速度,η为液体粘滞系数。
小球在各方向无限深广的液体中作自由下落时,受到三个力的作用,且都在竖直方向:重力mg、浮力ρ0gV和粘滞阻力F。
mg=6πηνγ+ρVg
(3)
由于受实验条件限制,存放液体的容器(如图所示,H为液体高度,D为量筒内径)都无法满足各方向无限深广的条件,必须进行一些边界条件修正,修正过的粘度系数可表示为:
(ρ−ρ)gdt
η=•
L181+2.41+1.62
(4)
对于粘度较小的流体,如水、乙醇、有机盐液体等,常用毛细管粘度计测量。流体流过毛细管的行为由泊肃叶(Poiseuille)方程描述:
πδdtdV=8ηl
4
(5)
其中dV是dt时间内流过液体的体积;δp为毛细管两端压强差;r、l分别为毛细管的内半径和长度。
πrr4ρ1g
V=∫dV=F(h)t1
8β1lVV=∫dV=
V
πrrρ2g
F(h)t2
8β2l
4
⇒η2=η1
ρ2t2ρ1t1
(6)
如果已知η1则根据ρ1、ρ2测出t1、t2;就可以求得η2.这样,只要用绝对测量法测准一种液体的粘滞系数,就可以相对地测定其它液体的粘滞系数,从而省去l、r、V、δp等量的测量。3、实验仪器3.1旋转法旋转粘度计3.2落球法
盛有被测液体(蓖麻油)的量筒、温度计、小钢球、米尺、游标卡尺和千分尺、秒表3.3旋转法
芬氏粘度计、吸耳球、夹子、铁架台、量筒、盐水、蒸馏水、秒表、液体密度计4、实验过程4.1旋转法
(1)打开恒温水浴槽的控制器电源并设定温度;
(2)打开旋转粘度计的电源,等待一段时间让之达到稳定转速;
(3)当温度到达设定值且稳定,同时旋转粘度计的指针也稳定后,开始读数并记录。将读数乘以转子因子10,即得到液体的绝对粘度(mPa·s);
(4)在室温到60度范围内,每隔3℃测量一次并记录下实验数据。4.2落球法
(1)1.选取6个一样的小球,测量直径d;
(2)调整量筒的垂直度,测量量筒的内径D、液面高度H;
(3)调整上刻度线L1(选择油面下约10cm的地方)和下刻度线L2,测量上下刻度线之间的距离L;(4)分别测量6个小球通过该段距离L所用时间t;(5)在开始和结束时各测一次温度,取平均值。
(1)将已用蒸馏水清洗干净的芬氏粘度计固定在铁架台的夹子上,保持此状态不再变动;(2)往管中倒入适量的蒸馏水,使之不超过两根刻度线中较低的一根;
(3)然后用吸耳球从没有刻度线的那一边管口吹气,直至另一侧水位高于较高的那根刻度线,然后放手,用秒表记录下水位从高刻度线一直降到低刻度线的时间t1;(4)用液体密度计测出准备好的盐水的密度;
(5)将蒸馏水倒出并清理干净粘度计,然后往里倒入盐水,重复前三个步骤并测出t2。5、数据分析5.1旋转法
实验中测得的温度与粘滞系数对应数据如下表所示:温度(℃)粘滞系数η(Pa·S)
26
8
295.9
324.7
353.8
383.1
412.6
442.2
471.8
501.6
531.3
561.2
601
拟合对应曲线如下:
5.2小球法
在室温为20.8℃的情况下测量小球下落时的数据:量筒内径D=5.602cm;金属球密度ρ=7.80g/cm3
液面高度H=42.2cm;
上下刻线之间的距离L=22cm;
北京重力加速度g=9.8015m/s2蓖麻油密度ρ0=0.957g/cm3
小球编号
123456
直径(mm)0.08020.0810.08070.08060.08010.08
下落时间t(s)
107.29107.16106.32105.52106.39104.35
测得的粘滞系数如下所示:
小球编号粘滞系数η(Pa·S)
111.648
211.863
311.683
411.567
511.518
611.269
取平均值可得在室温20.8℃时蓖麻油的粘滞系数为η0=11.5915.3比较法
在室温下分别测量盐水和蒸馏水流过粘度计两刻线之间的时间为纯水:
t1=155.59
t2=156.95
t=156.27
1
_
蒸馏水:t1=171.45t2=173.25
t
_2
=172.35
测得盐水密度约为1.0565g/cm3
查表可知室温下纯水的粘滞系数为η1=0.997Pa·S,进而算出此时盐水的粘满系数为η
2
=1.053Pa·S。
6.实验总结
虽然此次实验精度不高,但实验中了解了液体粘度及其测量的原理,熟悉了用旋转法,落球法和毛细管法等测量液体粘度的方法,有较大的收获。