液体的粘度

液体的粘度实验报告一、引言实验目的1.了解液体粘度测量的原理.2.用旋转法测量液体的粘度,绘制粘度与温度的关系曲线.3.比较旋转法、落球法和毛细管法等测量液体粘度的方法.实验原理1.粘度的定义粘度分为动力粘度和运动粘度，一般将动力粘度简称为粘度.流体流动时流层间存在着速度差和运动逐层传递。当相邻流层间存在速度差时，快速流层力图加快慢速流层，而慢速流层则力图减慢快速流层。这种相互作用随着流层间速度差的增加而加剧。流体所具有的这种特性称为粘性，流层间的这种相互作用力称为内摩擦力或粘性(滞)力。(动力)粘度是用来表示流体粘性程度的物理量，被定义为vx0的稳定层流中剪切应力xz与剪切速率ddvzx之比值xzxvzdd粘度的单位是帕斯卡秒,记作Pas,1Pas=1N/ms1kgms211.实际工作中常常直接测量运动粘度，其定义为(动力)粘度与流体密度之比.运动粘度的单位是二次方米每秒，ms2，具体工作中也用mms2。2.用旋转法测定液体的粘度实验中我们只讨论牛顿流体，即粘度与ddvzx无关的液体。旋转法测量原理如图1,当转子在液体中以稳定速度转动时，由牛顿内摩擦定律可知∶平面层流时流层间的内摩擦力等于表面积s、粘滞系数和速度梯度dvdl的乘积，即Fsdvdl(1)当液体产生稳定旋转时，对于如图1所示的高度为L的环状薄层，半径为r处的表面积srL2，该面所受的内摩擦力在柱坐标系中沿切线方向，其大小为FsrddrLrrddr2(2)式中的负号是因角速度沿径向递减之故。稳态旋转时半径为r的柱面所受的力矩为常数，设其值为M1，可得MrFLrddr132(3)利用边界条件rR20和rR10得到MLrc1241.再利用边界条件可得012241MLRc和MLRc112410，最后可得RRLRRM12222212104此即Couette-Margules公式,3.用落球法测定液体的粘度当金属小圆球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：小球的重力ρgV（V是小球体积、ρ是小球质量）、液体作用于小球的浮力ρ0gV（ρ0是液体密度）和粘滞力f（其方向与小球运动方向相反）。如果液体是无限深广的，而且小球的半径r和下落速度υ均较小，则有vrf6（4）上式称为斯托克斯公式，其中η是液体的粘度，v是小球下落速度，r是小球的半径。小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力也不大；但下落速度增大后，阻力也随之增大。最后，上述三个力达到平衡，即图1旋转法图2落球法装置图于是，小球作匀速直线运动。由上式可得：vgrvVg200)(926)((6)如已知r、ρ、ρ0和v等值，由测定匀速下落时的υ值，即能计算η。实验时，待测液体必须盛于容器中（图2），而小球则沿筒的中心轴线下降，故不能满足无限深、广的条件，式(6)须作如下改动方能符合实际情况：)23.31)(24.21()(181)3.31)(4.21()(920200200HdRdvgdHrRrvgr(7)其中d=2r,R0为容器内半径，H为液柱高度。这是由于液体有边界，所测得的υ较理想情况的为小，故须将式(2)等号右边项乘以小于1的因子，这样才能算得正确的η值。（7）式（即斯托克斯公式）成立的条伴。斯托克斯公式是由粘滞液体的普遍运动方程导出的，要求小球的速度很小、球也很小，归结为雷诺数很小。R很小的条件是因为在解方程时略去了一项有R因子的非线性项，如果考虑R，方程的解为这叫做奥西恩-果尔斯公式。可以把由（3/16）Ｒ与（19/1080）Ｒ2项看作是斯托克斯公式的一级修正项和二级修正项。如R＝0.1时，则分别为，零级解vVgVg60(5)0dvR)1080191631(62RRrvf（8）（9）vVgVg60vVgVg60vVgVg60（即7式）与一级解（即9式中取一级修正）相差约2％，而二级修正项～2X10-4可不计；如R＝0.5，则零级解与一级解相差约10%，二级修正项～0．5％还可略去不计；当R≈1时，二级修正项约2%，随着R的增大，高次修正项的影响变大，（7）式在R不太大的条伴下才成立．如果用一级近似，有将（8）式代人上式，再考虑（7）式的修正，可得η1是1级修正后的结果，η0是由（7）式算出的结果．如果用二级修正，有长圆筒形玻璃容器如图2所示，内盛待测液体，筒上约1/3与2/3处刻有两条刻度线N1,N2,两线之间的距离为h，实验时，当小球通过N1时开始计时，到N2时停止记时。由此获得小球下落的速度v=h/t。筒的旁边挂有一支温度计，用以测量液体的温度，温度计不要放入油中。另外还有两块磁铁，用以取出小球。落球的挑选：用读数显微镜测量小球直径，还要检查小球的真球度，令小球转到不同的方向，测量其直径5-6次，如发现值相差很大，应舍去。小球密度14.3×10^3kg/m^3，大球（d=2毫米）密度7.8×10^3kg/m^3。注意：取小球要特别小心，不要丢失！注意油必须静止、小球要圆、表面要清洁，筒要铅直，不要把油洒出筒外。4.用毛细管法测定液体粘度毛细管粘度计，根据U型管的结构，液体在重力作用下流动，测得—定量液体流经上、下标线Ｅ、Ｆ需要的时间，便可按照公式计算出液体的运动粘度值。)1631(61RrvfdvdvHdRdvgd0000201163163)23.31)(24.21(181）（（10）))270191121)1080191631(6210122dvRRrvf（（（11）关于液体的粘度有泊肃叶（Poiseuille）公式，即当液体在层流的情况下稳定地流过一均匀细管时，其中dV为dt时间内流过液体的体积；δp为细管两端的压强差，r、l分别为细管的内半径和长度，η为液体的粘度。由（12）式可以求出η，但是δp、r、l等量难以测准，所以一般用比较法测量η。由（12）式得由（13）式得222111tt由此可见，如果已知η1则根据ρ1ρ2测出t1t2；就可以求得η2．这样，我们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他液体的粘滞系数，从而省去了l、r、V、δp等量的测量．用比较法测η时，需要保证在同一条伴下进行实验．同一个r、l是由仪器本身满足的；同一个V要在测量时予以保证；还要保证粘滞器都维持铅直；在同一个温度下进行实验。使用方法:毛细管粘度计的使用是否正确，与很多因素有关，如温度影响，装置震动的影响，检定用标准液、标准温度计、秒表等准确程度的影响，以及调节垂直度，记录时间，操作者主观因素等影响。测量前的准备：粘度计的清洗是粘度测定中十分重要的环节，粘度计内壁如不清洁，液体在里面流动将受到不应有的阻力或滑动，影响流出时间的正常测定．有时，同一个系列的粘度计重复测量液体的流动时间长短相差很大，造成重复性超差使整组测定数据无效．有时在一个系列里重复性没有超差，但进行平行测定时，两个系列数据超出允许误差范围，而必须重新清洗，重新进行测定。lpdtrdV84(12)VVthFlgrrdVVthFlgrrdVV22241114)(8)(8（13）（14）粘度计在测量前用自来水反复冲洗，最后用蒸馏水冲洗，吹干。由于结构的不同，使用粘度计的方法亦有区别，应严格按照使用说明书的要求进行操作。下面只介绍两种常用的毛细管粘度计。乌别洛特粘度计乌氏粘度计适用于透明液体的测量，乌氏粘度计在U型结构上，毛细管的下端加一个悬挂水平球，悬挂水平球的左上方接一个管Ｍ，这一结构上的特点便形成了乌氏粘度计的优点，见图３操作：用自来水将乌式粘度计冲净，用少量纯水冲洗两次，将纯水经Ｌ注入Ａ中，液面达到ｍ４和ｍ３之间（约15ml），粘度计放在架子上，注意不要拧紧，以免夹碎粘度计，粘度计垂直放置。给Ｌ管打气，当Ｍ管液面超过B泡时，堵住M管，当液面达到Ｄ泡一半时，停止打气，放开M管，当液面通过ｍ１ｍ２区间时计时，选取适当的粘度计，使其在粘度计内的流动时间不小于200s（因条件限制，该实验只有一种粘度计，流动时间小于200s）。测未知液体粘度：倒出纯水，用注射器抽取少量未知液体，注入粘度计，冲洗两次，以下与测量纯水相同。坎农－芬斯克粘度计芬氏粘度计也是适用于透明液体的测量，芬氏粘度计的结构见图４，使用方法与乌氏粘度计类似，本实验用于测量蓖麻油，实验中使用的粘度计已清洗装液完毕，直接给粗管加压，当液面达到Ｄ泡一半时开始测量即可。二、实验任务和步骤1.旋转法1）打开恒温水浴槽的控制器电源：显示面板指示当前水浴槽内的温度。面板上有开关选择温度设定和液温测量。当选择温度设定，则可通过调节旋钮改变当前温度(只能升)，显示面板指示设定温度值；当选择液温测量，显示面板指示当前水浴槽内的温度值。2）打开旋转粘度计的电源.电机以稳定的速度旋转，通过游丝和转轴带动内筒(即转子)旋转，内筒(即转子)即受到基于流体的粘性力矩的作用，作用越大，则游丝与之相抗衡而产生的扭矩也越大，于是指针在刻度盘上指示的刻度也就越大。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22-50℃范围内，每隔2℃或3℃测量一次。2.落球法1)选取6个一样的小球，测量直径d(可省略)；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。3.比较法1）将已用蒸馏水洗净的乌式粘度计B、C支管分别套上乳胶管，并垂直放置；2）从A管加入蒸馏水至F球的一半；3）用夹子把套在B管上的乳胶管夹紧，用吸耳球对准C管吸气，使蒸馏水从F球经毛细管上升到G球为止(注意页面必须超过刻度线a)；4)取下吸耳球，同时取下B管的夹子，使B、C管与大气相通，C管内液体往下流，用秒表记录液体液面由a刻线下降到b刻线所用时间，此时间即为刻线a、b间的液体流经毛细管所需时间；5)重复步骤⑶、⑷操作三次，使每次误差不超过0.3秒，取平均值。6)将蒸馏水倒掉，加入少量无水乙醇洗涤粘度计，注意用吸耳球吸取乙醇反复洗涤毛细管部位，洗涤三次后烘干。重复前面实验步骤，测定无水乙醇流经刻线a、b所需的时间。用过的乙醇倒入回收瓶中。三、数据分析1.用旋转法测定液体粘度在各温度下测得的液体粘度数据见下表:温度T(℃)232527.23033363942454851545760液体粘度η95796855.5463730.224.92118.9151311.19.2注:液体粘度的单位是10mPa∙s以绝对温度T为横坐标,以液体粘度η为纵坐标,得到图1由图像可得A=4.245×10−8，分子粘流活化能E=8.80×10202.用落球法测定液体的粘度实验测得：小球下落高度h=20cm,管内径60.40mm,管高度H=41.6cm六个小球的半径，下落时间，和管中液体在小球下落前后的温度见下表：小球半径r(mm)时间t(s)前后温度(℃)8.00573.3522.522.57.99775.1322.522.58.00672.2222.522.57.99175.4422.522.58.00072.1322.522.57.99972.5322.522.5各小球算的粘度系数分别为η(mPaS)0.5190.5310.5110.5330.5100.5130.520(平均值)3.用毛细管法测定液体粘度水流过乌氏粘度计的时间为122.37s,121.28s,124.02s.求平均可得水流过的时间为122.56s盐水(10%的NaCl溶液)流过乌氏粘度计的时间为131.00s131.3