12569

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ГАЗОВ МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА

Лабораторная работа

Физика

ОТЧЕТ по лабораторной работе №1М ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ГАЗОВ МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА ВВЕДЕНИЕ Целью данной лабораторной работы является ознакомление с существующими методами измерения коэффициентов динамической вязкости газов на примере ...

Русский

2013-05-02

456 KB

9 чел.

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1М

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ГАЗОВ МЕТОДОМ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПОТОКА

ВВЕДЕНИЕ

Целью данной лабораторной работы является ознакомление с существующими методами измерения коэффициентов динамической вязкости газов на примере метода нестационарного потока, а также приобретение знаний и навыков в работе с вакуумным оборудованием.

. ТЕОРИЯ

Процессы внутреннего трения в жидкостях и газах возникают в тех случаях, когда различные участки жидкости движутся с неодинаковой скоростью и происходит необратимый перенос импульса из мест с большей скоростью в места с меньшей скоростью. При этом в направлении, противоположном движению (вдоль оси z). действует отнесенная к единице поверхности соприкосновения слоев сила F, пропорциональная изменению скорости υz в перпендикулярном движению направлении (вдоль оси х):

   (1.1)

 

Здесь коэффициент пропорциональности η есть коэффициент внутреннего трения или коэффициент динамической вязкости.

Из уравнения (1.1) следует, что величина η равна силе, которую испытывает единица поверхности одного из слоев со стороны другого слоя, если градиент скорости между ними равен единице.

Макроскопические методы термодинамики не в состоянии теоретически определить значение коэффициента динамической вязкости, как и других коэффициентов переноса

Простой вывод, основанный на использовании равновесной функции распределения скоростей и впервые выполненный Максвеллом, приводит к приближенной формуле для коэффициента внутреннего трения разреженных газов, столкновения атомов или молекул которых моделируется в виде сталкивающихся твёрдых шаров, следующего вида

  (1.2)

где n - числовая плотность молекул, м'3; m - масса молекулы, кг; λ- средняя длина свободного пробега молекул, м; υ - средняя тепловая скорость молекул, м/с; σ0- диаметр молекулы, м.

Из величин, определяющих η и входящих в определения (1.2), и, не зависит от давления Р, n прямо пропорциональна давлению(т.к. P=nkT), a  обратно пропорциональна давлению. Таким образом, для разреженных газов коэффициент динамической вязкости η не зависит от давления Р. Далее, из (1.2) следует, что коэффициент η  должен зависеть от температуры так же, как и и,, т.е. пропорционально Т 1/2(для реальных газов этот показатель изменяется в пределах 0 5-0 9). Следует заметить, что для жидкостей коэффициент динамической   вязкости   ηж.   определяется   полуэмпирической   формулой  ηж = А ехр(В/Т), где А и В - некоторые, как правило, полуэмпирические константы для конкретных жидкостей. Как видно из определений, если для газов с увеличением температуры Т коэффициент динамической вязкости η увеличивается, то для жидкостей ηж  уменьшается

Приведенные соображения оказываются несправедливыми для плотных газов и жидкостей. Более того, даже для разреженных газов полученные теоретические выражения имеют ограниченную применимость Отсюда понятна важность экспериментального определения коэффициентов вязкости Насущная необходимость в сведениях по вязкости определяется, прежде всего, тем, что при расчете гидравлических сопротивлений коэффициент динамической вязкости является одним нз основных параметров

Решение уравнения Навье-Стокса , описывающего стационарное движение вдоль оси z несжимаемого газа (жидкости) в цилиндрическом капилляре радиуса R под действием градиента давления dP/dz, даёт следующее распределение скорости и, υz по радиусу капилляра:

  (1.3)

Формула (1.3) получена в предположении, что скорость газа (жидкости) на стенке капилляра равна 0, т.е. движущаяся среда «прилипает» к стенке. Если для жидкости такое предположение правомерно, то для газа оно не вполне корректно по следующим физическим соображениям, которые подтверждаются экспериментально.

Выделим вблизи стенки на расстоянии средней длины свободного пробега Х единичную площадку, параллельную стенке. Предполагается, что в слое возле стенки толщиной Л, частицы между собой не сталкиваются. Из общей физики известно, что число молекул, пересекающих единичную площадку в том и другом направлениях за единицу времени, равно . Таким образом, полный перенос импульса в направлении движения вдоль оси z через единичную площадку можно записать в виде , где - средние скорости молекул, отраженных от стенки и падающих на стенку соответственно. Этот перенос импульса эквивалентен силе, с которой газ, расположенный с отрицательной стороны площадки, действует на газ с положительной стороны (за положительное обычно выбирается направление единичного нормального вектора, проведённого от единичной площадки на стенке в сторону газа). Эта сила равна ньютоновской вязкой силе F:. Поэтому можно записать

  (1.4)

Средняя скорость газа у стенки может быть принята как средняя скорость для двух групп (отражённых и падающих) молекул и равная .

Значение скорости  зависит от типа взаимодействия молекул со стенкой. В простейшем случае, когда на стенке происходит диффузное рассеяние (равновероятное во все стороны с температурой стенки).

Если  ввести величину σ, значение которой для данного вывода равно 1, а полученное при строгом теоретическом анализе для твердых сферических молекул равно ~1.13, то распределение скорости в цилиндрическом капилляре имеет вид:

  (1.5)

Величину σ называют константой скольжения газа на стенке.

Если (1.5) умножить на элементарную площадку поперечного сечения капилляра dS = rdrdφ и полученное выражение проинтегрировать, то можно получить следующую формулу для определения объёмного расхода газа в цилиндрическом капилляре Q,:

  (1.6)

. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Принципиальная схема экспериментальной установки

1-емкостной датчик давления, 2-образцовый вакумметр, 4- форвакуумный насос; 3,5,11-вентили; 6-запирающее устройство, 7-затвор; 8-рабочие объемы; 9-перегородка; 10-капиляр; 12-байпасный кран, 13-сильфонное устройство; 14-мембрана из бериллиевой бронзы; 15-диск-электрод, 1б-г LС-генератор; 17-частотомер.

Рис. 1

Измерение абсолютного давления осуществляется с помощью образцового вакуумметра 2 класса точности 0.16.

Откачка газа из установки осуществляется через вентили 3 и 5 при закрытом вентиле 11 и открытом байпасном кране 12 с помощью форвакуумного насоса 4. Напуск газа в вискозиметр производится с помощью вентиля 11 при открытом байпасном кране 12

. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Задание

3.1.1 .Ознакомиться с теорией и методикой измерений расхода газа.

3.1.2.Измерить расход газа через капилляр для двух давлений (75 и 112 мм рт.ст.). Для каждого давления провести три измерения.

3.1.3.Методом наименьших квадратов вычислить расходы и определить среднее значение коэффициента динамической вязкости предложенного газа.

3.1.4. Оценить случайную и систематическую погрешности в измерении коэффициента динамической вязкости.


. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ

Результаты измерений приведены в таблице.

4.2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе нами был определен коэффициент вязкости воздуха методом нестационарного потока (метода капилляра). Полученное значение коэффициента вязкости воздуха η=(1.835+0.026)*1011 согласуется с теоретическими расчетами в пределах погрешности. Данные были получены при значениях давления 75 и 112 мм. рт. ст.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75415. Способы глагольного действия. Их соотношение с видом 17.09 KB
  С категорией вида тесно связаны лексико-грамматические разряды глаголов называемые способами глагольного действия. Иначе говоря способы глагольного действия это такие семантико-словообразовательные группировки глаголов в основе которых лежат модификации изменения значений беспрефиксных глаголов с точки зрения временных количественных специально результативных характеристик значение начала действия может быть выражено различными префиксами: за по вз воз: заговорить пойти вскричать одноактность мигнуть Мы характеризуем какой...
75416. Оптичні давачі. Давачі дифузного типу 2.47 MB
  Давачі дифузного типу Давач дифузного типу створений за принципом давача з відбиттям від рефлектора. Давачі дифузного типу Давач дифузного типу з придушенням заднього фону Давачі дифузного типу з придушенням заднього фону були розроблені для того щоб досягти визначеного діапазону сканування для будьяких обєктів незалежно від їх яскравості кольору та інших властивостей а також від яскравості заднього фону. Такі давачі ігнорують всі обєкти які знаходяться до давача ближче ніж попередньо налаштований діапазон виявлення.
75417. Безконтактний магніточутливий давач 262 KB
  Давач що виявляє зміну напруженості постійного магнітного поля має напівпровідниковий комутуючий елемент і що не містить рухомих частин в чутливому елементі рис. Спрацювання давача відбувається при зміні напруженості магнітного поля викликаного наприклад переміщенням постійного магніту розташованого на рухомої частини механізму. Крім того магніточутливих давачи можуть відрізнятися по реакції на зміну магнітного поля: При збільшенні напруженості зовнішнього магнітного поля наприклад при наближенні постійного магніту...
75418. Блоки живлення, лічильники імпульсів, реле часу, сигналізатори рівня, розєми і зєднувачі, вибухобезпечне устаткування 753.5 KB
  Блок живлення — це вторинне джерело живлення, призначене для забезпечення живлення електроприладу електричною енергією, при відповідності вимогам її параметрів: напруги, струму, і т. д. шляхом перетворення енергії інших джерел живлення.
75419. Сенсори. Аналогові сенсори. Сенсори положення, кута, віддалі та товщини 575 KB
  Сенсори положення кута віддалі та товщини. Аналогові сенсори За допомогою аналогових сенсорів перетворюють механічні величини наприклад зміну положення або електричні величини наприклад зміну потужності на електричні сигнали напруги або струму. Сигнали з вимірювального перетворювача можуть бути представлені у фізичних величинах наприклад у випадку перетворювача положення в мм. Сенсори положення кута віддалі та товщини Потенціометричні контактні сенсори При пересуванні ковзного контакту в поступальному потенціометрі або повороту...
75420. Індуктивні безконтактні кінцеві сигналізатори 568 KB
  Котушка з відкритим, чашковим феромагнітним осердям створює високочастотне електромагнітне поле. Котушка є індуктивною частиною коливного контуру, який збуджується за допомогою частотного генератора з частотою близько
75421. Сенсори розтягу, сили, обертового моменту i тиску 585 KB
  Види виконання вимірювальних сіток фольгових тензометрів Для одночасного вимірювання в кількох напрямках служать спеціальні тензометри в яких вимірювальні сітки розміщені одна відносно іншої під кутом 120 або під кутом 45 до напрямку видовження рис.
75422. Сенсори прискорення. Сенсори температури 164 KB
  Сенсори температури. Сенсори температури Найважливішим різновидом давачів є давачі температури оскільки багато процесів у тому числі і в повсякденному житті регулюються температурою наприклад: регулювання опалення на підставі вимірювання температури теплоносія на вході і виході а також температури в приміщенні і зовнішньої температури; регулювання температури води в пральній машині; регулювання температури електропраски електроплитки духовки...