Технические характеристики и физические свойства жидкостей

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Жидкость	r, кг/м3	, МПа–1	, 0С–1	n , м2/с	s, Н/м
Вода пресная	998	0,49×10–3	0,15×10–3	1,01×10–6	73×10–3
Спирт этиловый	790	0,78×10–3	1,10×10–3	1,52×10–6	23×10–3
Масло:
Автол М-8В	900	0,60×10–3	0,64×10–3	300×10–6	25×10–3
Индустриальное 20	900	0,72×10–3	0,73×10–3	110×10–6	25×10–3
Трансформаторное	890	0,60×10–3	0,70×10–3	30×10–6	25×10–3
АМГ-10	850	0,76×10–3	0,83×10–3	20×10–6	25×10–3

Описание устройства № 1

Устройство для измерения параметров, характеризующих физические свойства и технические характеристики жидкости, а именно – коэффициента объемного расширения, плотности жидкости, кинематического коэффициента вязкости, а также коэффициента поверхностного натяжения – содержит пять приборов, выполненных в общем прозрачном корпусе (рис.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, ареометр 2 позволяет измерить плотность жидкости, вискозиметр Стокса 3 и капиллярный вискозиметр 4 – определить вязкость, а при помощи сталагмометра 5 определяют поверхностное натяжение жидкости.

1. Определение коэффициента объемного расширения

Термометр 1 имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненные термометрической жидкостью, и шкалу. Принцип его действия основан на температурном расширении жидкости. Варьирование температуры окружающей среды приводит к соответствующему изменению объема термометрической жидкости и ее уровня в капилляре. Уровень указывает на шкале значение температуры.

Коэффициент объемного расширения термометрической жидкости определяется в следующем порядке на основе мысленного эксперимента, то есть предполагается, что температура окружающей среды повысилась от нижнего (нулевого) до верхнего предельных значений термометра, и уровень жидкости в капилляре возрос на величину ℓ.

Порядок выполнения работы

1. Подсчитать общее число градусных делений Dt в шкале термометра и измерить расстояние ℓ (м) между крайними штрихами шкалы.

2. Вычислить приращение объема термометрической жидкости по следующей формуле:

DW = p × r²× ℓ, (5)

где r – радиус капилляра термометра, м.

Рис. 1. Схема устройства № 1: 1 – термометр; 2 – ареометр;
3 – вискозиметр Стокса; 4 – капиллярный вискозиметр; 5 – сталагмометр

3. С учетом начального (при 0 ⁰С) объема термометрической жидкости W найти значение коэффициента температурного расширения по уравнению (3) и сравнить его со справочным значением (см. табл. 1).

4. Занести значения используемых величин в табл. 1 (см. Приложение).

2. Измерение плотности жидкости при помощи ареометра

Ареометр 2 служит для определения плотности жидкости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в нижней части (см. рис. 1). Благодаря грузу ареометр плавает в исследуе-мой жидкости в вертикальном положении. Глубина погружения ареометра h является мерой плотности жидкости и считывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг ареометра. В обычных ареометрах шкала отградуирована сразу по плотности.

Порядок выполнения работы

1. Измерить глубину погружения h ареометра по миллиметровой шкале на нем.

2. Вычислить плотность жидкости по формуле

r = 4×m /( p × d ²× h), (6)

где m – масса ареометра, кг; d – диаметр ареометра, м; h – глубина погружения ареометра, м.

Эта формула получена приравниванием силы тяжести ареометра G =m ×g и выталкивающей (архимедовой ) силы Р_арх = r ×g ×W, где объем погруженной части ареометра W = ( p ×d²/4)×h.

3. Сравнить опытное значение плотности r со справочным значением r^* (см. табл. 1).

4. Значения используемых величин свести в табл. 2 (см. Приложение).

3. Определение вязкости вискозиметром Стокса

Вискозиметр Стокса 3 достаточно прост и содержит цилиндрическую ёмкость, заполненную исследуемой жидкостью, и шарик (см. рис. 1). Прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени падения шарика в ней следующим образом.

Порядок выполнения работы

1. Повернуть устройство № 1 в вертикальной плоскости на 180⁰ и зафикси-ровать 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 среднее арифметичес-кое значение времени t.

2. Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости по следующей зависимости:

n = g × d ²× t × (r_ш /r - 1) / [18× ℓ + 43,2 × ℓ × (d / D)], (7)

где g – ускорение свободного падения, м/с²; d и D – диаметры шарика и цилиндрической ёмкости соответственно, м; r и r_ш – плотности жидкости и материала шарика соответственно, кг/м³.

3. Сравнить опытное значение кинематического коэффициента вязкости n с табличным значением n ^* (см. табл. 1).

4. Значения используемых величин свести в табл. 3 (см. Приложение).

4. Измерение вязкости капиллярным вискозиметром

Капиллярный вискозиметр 4 включает ёмкость с капилляром (см. рис. 1). Вязкость определяется по времени истечения жидкости t из ёмкости через капилляр.

Порядок выполнения работы

1. Перевернуть устройство № 1 в вертикальной плоскости, определить секундомером время t (с) истечения через капилляр объема жидкости между метками (высотой S) из ёмкости вискозиметра 4 и температуру t по термометру 1 (см. рис. 1).

2. Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости по следующей зависимости:

n = М × t, (10)

где М – постоянная прибора.

3. Сравнить опытное значение кинематического коэффициента вязкости n с табличным значением n ^* (см. табл. 1).

4. Значения используемых величин свести в табл. 4 (см. Приложение).

5. Измерение поверхностного натяжения сталагмометром

Сталагмометр 5 служит для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель. Он содержит ёмкость с капилляром, расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли (см. рис. 1). Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна ее весу (силе тяжести), и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении ёмкости с заданным объемом.

Порядок выполнения работы

1. Перевернуть устройство № 1 и подсчитать число капель, полученных в сталагмометре 5 из объема высотой S между двумя метками. Опыт повторить три раза и вычислить среднее арифметическое значение капель n.

2. Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения по следующей зависимости:

s = К × r / n, (11)

где К – постоянная сталагмометра.

3. Сравнить опытное значение коэффициента поверхностного натяжения s с табличным значением s ^* (см. табл. 1).

4. Значения используемых величин свести в табл. 5 (см. Приложение).

Работа 2.

Изучение приборов для измерения давления

Цель работы

Изучение устройства и принципа действия жидкостных приборов для измерения давления.

Общие сведения

Гидростатическим давлением называют нормальное напряжение сжатия в неподвижной жидкости, то есть силу, действующую на единицу площади поверхности, нормально ориентированной к этой силе.

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль (Па) – давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по нормаль-ной к ней поверхности площадью 1 м², то есть

1 Па = 1 Н/м².

Для практических вычислений и измерений эта единица может быть неудобна, поэтому чаще применяют кратные единицы – килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (Мпа):

1 кПа = 10³ Па; 1 МПа = 10⁶ Па.

В настоящее время в технике продолжают применять систему единиц МКГСС, в которой за единицу давления принимается 1 кгс/см². Используют также внесистемные единицы – техническую атмосферу и бар

1 ат = 1 кгс/см² = 10⁴ кгс/м²; 1 бар = 10⁵ Па = 1,02 ат.

В зависимости от способа отсчета различают абсолютное, избыточное (манометрическое) и вакуумметрическое давление.

Если жидкость находится в ненапряженном состоянии, то есть в ней отсутствуют напряжения сжатия, то давление равно нулю p = 0. Значения давления, отсчитанные от этого нуля, называют абсолютным давлением p _а.

Иногда давление удобно отсчитывать от условного нуля, за который принимается атмосферное давление, величина которого в какой-либо точке зависит от высоты этой точки над уровнем моря и незначительно колеблется в одной и той же точке. Нормальное атмосферное давление на уровне моря при температуре 0⁰С принимают равным p _ат = 101,3 кПа, что отвечает давлению 760 мм рт. ст. (или 10330 мм вод. ст.). Приближенно это давление можно принять равным p _ат » 100 кПа = 10⁵ Па. Таким образом, если давление отсчитывать от атмосферного давления, то его величина покажет избыток абсолютного давления над атмосферным. В этом случае давление называется избыточным давлением p_и:

p_и = p _а – p _ат. (1)

Избыточное давление отрицательно, если абсолютное давление p _а меньше атмосферного p _ат. Недостаток давления до атмосферного называется вакуумом p_в:

p_в = – p_и = p _ат – p _а. (2)

На рис. 2 показано соотношение давлений в различных системах отсчета.

Рис. 2. Системы отсчета давлений

Приборы для измерения давления весьма разнообразны. Они классифицируются по различным признакам. По характеру измеряемой величины давления приборы разделяются на следующие группы:

– приборы для измерения атмосферного давления p _ат – барометры;

– приборы для измерения разности абсолютного p _а и атмосферного давлений p _ат, то есть для измерения избыточного давления p_и – манометры и вакуума p_в – вакуумметры. Приборы, измеряющие избыточное давление и вакуум называются мановакуумметрами;

– приборы для измерения абсолютного давления p _а – манометры абсолютного давления (если измеряемое давление больше атмосферного, то абсолютное давление можно измерять с помощью барометра и манометра; если меньше атмосферного – с помощью барометра и вакуумметра);

– приборы для измерения разности давлений – дифференциальные манометры;

– приборы для измерения малого избыточного давления и вакуума – микроманометры.

По принципу действия различают приборы жидкостные, механические, электрические, комбинированные.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба жидкости, высота которого h (м) служит мерой давления

р = r × g × h, (3)

где r – плотность жидкости, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и высокая точность, однако они удобны только при измерении небольших давлений.

В механических приборах измеряемое давление деформирует упругий элемент прибора – пружину, которая может представлять собой полую трубку, мембрану, сильфон и т.п. Деформация упругого элемента, вызванная давлением, по закону Гука пропорциональна давлению и служит его мерой. Преимуществом механических приборов является их компактность и большой диапазон измеряемых давлений.

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал, который регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) приборами. Важным преимуществом этих приборов является то, что с их помощью можно фиксировать давление при быстротекущих процессах.

К комбинированным относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер (например, электромеханические приборы).