лабораторная

Лабораторная работа №1 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТИ
Задачи работы. 1.Определение физических свойств жидкости. 2.Освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.
1.1. Общие сведения
Жидкостью называют малосжимаемое тело, изменяющее свою форму под действием весьма малых сил. Основные характеристики жидкости - плотность, удельный вес, сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и поверхностное натяжение.
Плотность - отношение массы т жидкости к её объему V:
  m/V . (1.1)
Сжимаемость - свойство жидкости изменять объем под действием
давления. Она оценивается коэффициентом объемного сжатия V

показывающим относительное изменение объема жидкости V
приходящееся на единицу изменения давления р :

V  

V  1
V p


. (1.2)


Тепловое расширение - свойство жидкости изменять объем при нагревании - характеризуется коэффициентом температурного

расширения t

равным относительному изменению объема жидкости V


приходящемуся на единицу изменения температуры t:

  V
t V

 1 . (1.3)
t


Как правило, при нагревании объем жидкости увеличивается.
Вязкость - свойство реальной жидкости сопротивляться относи- тельному скольжению ее слоев. Ее оценивают динамическим коэффициентом вязкости  , который равен касательному напряжению между соседними слоями, если их относительная скорость перемещения численно совпадает с толщиной слоя, что следует из закона вязкого трения Ньютона.
Таблица 1.1

Жидкость  ,
кг/м3 V 103
МПа-1 t 103
0С-1  10 6
м2/с  103
Н/м2
Вода пресная 998 0,49 0,15 1,01 73
Спирт этиловый 790 0,78 1,10 1,52 23
Масло: Моторное М-10 Индустриальное ВМГЗ
АМГ-10
900
900
865
850
0,60
0,72
0,90
0,76
0,64
0,73
0,91
0,83
800
110
20
20
25
25
25
25

Единицы измерения коэффициента  динамической вязкости: СИ – Нс/м2, СГС – Пуаз = динс/см2, МКГСС – кгс/м2.
Отношение динамического коэффициента вязкости  к плотности
жидкости  называют кинематическим коэффициентом вязкости  .
    . (1.4)

Единицы измерения коэффициента ν кинематического вязкости: СИ
– м2/с, СГС – см2/с = 1 Ст (стокс).

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  , равным силе на единице длины контура свободной поверхности. Значения
, V , t при 20 °С указаны в табл. 1.1.
1.2. 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.



Рис.1.1. Схема устройства №1
1 - термометр; 2 - ареометр; 3 - вискозиметр Стокса; 4 - капиллярный вискозиметр; 5 - сталагмометр

1.3. Порядок выполнения работы
1.3.1. 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.
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 Δt в шкале термометра и измерить расстояние l между крайними штрихами шкалы.
2. Вычислить приращение объема термометрической жидкости
V    r 2  l , где r - радиус капилляра термометра.

3. С учетом начального (при t  00 C ) объема V термометрической
жидкости найти значение коэффициента теплового расширения

t  V

V  t

и сравнить его со справочным значением β*

(табл. 1.1).


Значения используемых величин занести в таблицу 1.2.
Таблица 1.2

Вид
термометрической жидкости r,
см V,
см3 Δt,
°С l, см ΔV,
см3 βt
оС-1 β* ,
t
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 ρ = 4m/(πd2h), где т и d - масса и диаметр ареометра. Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G=mg и выталкивающей (архимедовой) силы РA=ρgV, где объем погруженной части ареометра V= (πd2/4)h.
3. Сравнить опытное значение плотности ρ со справочным значением ρ* (см. табл. 1.1). Значения используемых величин свести в таблицу 1.3.
Таблица 1.3

Вид жидкости т,
г d,
см h, ρ, ρ*,
г/см3

см г/см 3
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 180° 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

  gd 2t( ш


 1) /(18  l  43,2  l

d ) , (1.5)
D


где g - ускорение свободного падения; d,D - диаметры шарика и цилиндрической емкости; ρ, ρ ш - плотности жидкости и материала
шарика.
3. Сравнить опытное значение коэффициента вязкости ν С табличным значением ν * (см. табл. 1.1). Значения используемых величин свести в таблицу 1.4.
Таблица 1.4

Вид
жидкости ρ,
кг/м 3 t,
c l,
м d
м D
м ρш,
кг/м 3 ν
м2/с ν*
м2/с
М-10 0,02

1.3.4. Измерение вязкости капиллярным вискозиметром

Капиллярный вискозиметр 4 включает емкость с капилляром.
Вязкость определяется по времени истечения жидкости через капилляр.
1. Перевернуть устройство № 1 (см. рис.1.1) в вертикальной плоскости и определить секундомером время t истечения через капилляр объема жидкости между метками (высотой 5) из емкости вискозиметра 4 и температуру Т по термометру 1.
2. Вычислить значение кинематического коэффициента

вязкости

  М  t

(М – постоянная прибора) и сравнить его с

табличным значением  

(см. табл.1.1).

Данные свести в таблицу 1.5
Таблица 1.5

Вид жидкости М,
м2/с2 t,
с Т,
оС ν,
м2/с ν*,
м2/с
М-10
Примечание. В табл.1.1 приведены значения коэффициента вязкости жидкостей при температуре 20 о С. Поэтому опытные значения полученные при другой температуре, могут существенно отличатся от табличных значений.

1.3.5. Измерение поверхностного натяжени сталагмометром
Сталагмометр 5 служит для определения поверхностного натяжения жидкости методом отрыва капель и содержит емкость с капилляром, расширенным на конце для накопления жидкости в виде капли. Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна ее весу (силе тяжести) и поэтому определяется по плотности жидкости и числу капель, полученному при опорожнении емкости с заданным объемом.

1. Перевернуть устройство № 1 и подсчитать число n капель, полученных в сталагмометре 5 из объема высотой l между двумя метками. Опыт повторить три раза и вычислить среднее арифметическое значение числа п капель.
2. Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения σ= К ρ /п (К - постоянная сталагмометра) и сравнить его с табличным значением σ* (см. табл. 1.1). Данные свести в таблицу 1.6.
Таблица 1.6

Вид
жидкости К,
м3/с2 
кг/м3 n 
Н/м  
Н/м
М-10

Контрольные вопросы
1. Дайте определение жидкости. В чем отличие жидкостей от твердых тел и газов?
2. Укажите свойства идеальной жидкости. С какой целью в гидравлике введено понятие идеальной жидкости?
3. Назовите основные физические свойства жидкости, их единицы измерения.
4. Какая взаимосвязь существует между плотностью и удельным весом жидкости? Размерность плотности, удельного веса в СИ?
5 Что характеризует коэффициент температурного расширения жидкости?
6. Что называется коэффициентом объемного сжатия жидкости и его связь с модулем объемной упругости?
7. Что называется вязкостью жидкости? Закон вязкого трения Ньютона.
8. Понятие динамического и кинематического коэффициента вязкости, их взаимосвязь, единицы измерения.

9. Растворимость газов в жидкости. Закон Генри. Дайте определение кавитациию






Лабораторная работа №2

ИЗУЧЕНИЕ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Задачи работы. 1.Ознакомиться с конструкцией и принципом действия приборов для измерения давления (пьезометров, барометров, манометров, датчиков давления, вакуумметров) по опытным образцам и технической литературе [1,5,7].
2. Приобретение навыков по измерению гидростатического давления жидкостными приборами (с помощью устройства №2).
2.1. Общие сведения
Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т.е. cилу, действующую на единицу площади поверхности. За единицу измерения давления в международной системе принят паскаль (Па = Н/м2).
Различают абсолютное, атмосферное, манометрическое и вакуумметрическое давления.
Абсолютное (полное) давление р определяется из выражения основного закона гидростатики и определяется суммой атмосферного ра и манометрического рм давления.

р  ра  рм , (2.1)
pм  gH ; (2.1)
где  - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения,

g  9,81м/с2; Н – гидростатический напор (высота столба жидкости в

резервуаре).
Атмосферное (барометрическое) давление ра создается силой тяжести воздуха атмосферы и принимается в обычных условиях равным 101325 Па или 760 мм рт. ст.
Давление выше атмосферного называют манометрическим
(избыточным) давлением.

рм 

рабс  ра

(2.1)

Давление ниже атмосферного называется вакуумметрическим давлением (давлением разряжения)
рв  ра  рабс . (2.1)
Где рв – атмосферное (барометрическое) давление.
2.2. Приборы для измерения давления
Приборы для измерения давления различают по следующим признакам: по роду измеряемой величины, принципу действия, классу точности.
По роду измеряемой величины существуют несколько видов приборов: барометры – для измерения атмосферного давления; манометры – для измерения избыточного давления; вакуумметры – для измерения давления разряжения.
По принципу действия все приборы можно разделить на жидкостные, механические, грузопоршневые, электрические и комбинированные. К жидкостным относятся приборы, основанные

на гидростатическом принципе действия: измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба жидкости, высота которого служит мерой давления (пьезометр, ртутный манометр и др.
Основными преимуществами жидкостных приборов являются простота устройства и высокая точность. Однако диапазон измеряемых давлений не превышает 0,3 МПа (для ртутных манометров), что является их существенным недостатком.
Принцип действия механических приборов заключается в том, что действию давления подвергается упругий элемент, деформация которого пропорциональна величине измеряемого давления.
Наиболее распространенным прибором такого типа является пружинный манометр, принцип действия которого основан на применении закона Гука. Пружинный манометр имеет ряд важных преимуществ, таких как простота устройства, большой диапазон измерения (до 100 МПа).
В грузопоршневых приборах величина давления определяется по силе тяжести грузов, уравновешивающих силу давления измеряемой среды (жидкости).
В приборах электрического типа в качестве первичного преобразователя давления в электрический сигнал используют датчики давления самых различных типов (тензометрический, потенциометрический, индуктивный и др.). Датчики давления незаменимы при проведении экспериментальных исследований, испытаний гидропривода, для измерения давлений в нестационарных

потоках жидкости. В качестве регистрирующей аппаратуры используют, например светолучевые осциллографы.
Серийно выпускаемые приборы различают по классу точности. Классом точности прибора называется число, выражающее максимальное значение допустимой относительной погрешности в процентах от предельного значения шкалы прибора.

2.2. Описание устройства № 2 и жидкостных приборов
Ртутный барометр состоит из вертикальной стеклянной трубки с миллиметровой шкалой и закрытым верхним концом, которая заполнена ртутью, и чаши с ртутью, в которую опущена трубка нижним концом. Таким прибором впервые было измерено атмосферное давление итальянским ученым Э. Торричелли в 1642 г.
Для демонстрации других приборов служит устройство № 2, которое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в которой всегда сохраняется







а) б) в) Рис. 2.1. –Устройство №2

1- полость с атмосферным давлением; 2 – резервуар; 3,6 – пьезометр; 4 –
уровнемер; 5 – мановакуумметр; 7 –вакуумметр.

атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполненный водой (рис. 2.1, а). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкостные приборы 3, 4 и 5. Они представляют собой прозрачные вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.
Однотрубный манометр (пьезометр) 3 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижним - с резервуаром 2. Им определяется

манометрическое давление pм

 ghп

на дне резервуара.

Уровнемер 4 соединен обоими концами с резервуаром и служит для измерения уровня Н жидкости в нем.
Мановакуумметр 5 представляет собой U - образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключен к резервуару 2, а правым - к полости 1 и предназначен для определения манометрического

pм  ghм

(рис. 2.1, а) или вакуумметрического

pм  ghв

(рис.

2.1 ,б) давлений над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путем наклона устройства.
При повороте устройства в его плоскости на 180º против часовой стрелки (рис. 2.1, в) канал 4 остается уровнемером, колено мановакуумметра 5 преобразуется в пьезометр 6, а пьезометр 3 – в вакуумметр (обратный пьезометр) 7, служащий для определения

вакуума pв

 ghв

над свободной поверхностью жидкости в

резервуаре 2.
2.2. Порядок выполнения работы
1. В резервуаре 2 над жидкостью создать давление выше
атмосферного ( p0  ра ), о чем свидетельствует превышение уровня

жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуумметре 5 (рис. 2.1, а). Для этого устройство поставить на правую сторону, а затем поворотом его против часовой стрелки отлить часть жидкости из левого колена мановакуумметра 5 в резервуар 2.

2. Снять показания пьезометра

hп , уровнемера H и

мановакуумметра

hм .

3. Вычислить абсолютное давление на дне резервуара через показания пьезометра, а затем – через величины, измеренные уровнемером и мановакуумметром. Для оценки сопоставимости результатов определения давления на дне резервуара двумя путями найти относительную погрешность δp.
4. Над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 создать
вакуум ( p0  ра ) , когда уровень жидкости в пьезометре 3
становится ниже, чем в резервуаре, а на мановакуумметре 5

появляется обратный перепад

hв (рис. 2.1, б). Для этого поставить

устройство на левую сторону, а затем наклоном вправо отлить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакуумметра 5. Далее выполнить операции по п.п. 2 и 3.
5. Перевернуть устройство против часовой стрелки (рис. 2.1, в) и определить манометрическое или вакуумметрическое давление в заданной преподавателем точке «C» через показания пьезометра 6, а затем с целью проверки найти его через показания обратного пьезометра 7 и уровнемера 4.
В процессе проведения опытов и обработки экспериментальных данных заполнить таблицу 2.1.











Таблица 2.1

№ Наименование Обозначения, Условия опыта
п/п величин формулы p0  ра p0  ра
1 Пьезометрическая высота, м hп
2 Уровень жидкости в
резервуаре, м H
3 Манометрическая высота, м hм -------
4 Вакуумметрическая высота,
м hв ---------
5 Абсолютное давление на
дне резервуара по показанию пьезометра, Па
p  ра  ghп
6 Абсолютное давление в
резервуаре над жидкостью, Па p  ра  ghм
p  ра  ghв
--------- --------
7 Абсолютное давление на дне резервуара по показаниям мановакуумметра и
уровнемера, Па
p  ра  gН

№ Наименование Обозначения, Условия опыта
8 Относительная погрешность результатов определения давления на
дне резервуара, %  р  100( р  р ) / р
Примечание. Принять атмосферное давление pа=101325 Па, плотность воды ρ=1000 кг/м3.



Контрольные вопросы
1. Что называется абсолютным, избыточным, вакуумметрическим давлением?
2. Что называется гидростатическим, гидромеханическим давлением?
3. В каких единицах измеряется давление в СИ, СГС, МКГСС?
4. Вывести соотношение между внесистемной единицей измерения давления – технической атмосферой – и МПа.
5. Вывести соотношение между внесистемной единицей измерения давления –мм вод.ст. (мм рт.ст.) – и Па.
6. Записать основное уравнение гидростатики.
7. Как классифицируются приборы для измерения давления?
8. Рассказать принцип действия жидкостных, механических и электрических приборов для измерения давления?
9. Пояснить назначение и принцип действия приборов для измерения давления в устройстве №2.