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

25280. Західноєвропейський (Д.Лукач, група «Праксіс», К.Косік. Г.Маркузе, Ж-ПСартр) та радянський (Е.Ільєнков, Г.Братішев, П.Копнін, З.Кабадзе, Ж.Абдільдін) неомарксизм 60-70 рр 62 KB
  Неомарксизм – это особое течение общественной в том числе философской мысли 50–60х годов нашего века выражавшее тот большой интерес к творчеству Маркса и его философии который был характерен для этого периода. Речь идет не о новых исследованиях работ Маркса и не о новой интерпретации его творчества. Неомарксизм – это определенное теоретическое устремление найти при помощи Маркса ответы на животрепещущие вопросы современности. Как правило все они стремились понять насколько применимы взгляды Маркса к решению современных им проблем...
25281. Позитивізм ХІХ-ХХ ст. у Західній Європі та Російській імперії 34 KB
  Існує три історичні стадії позитивізму: перший€ класичний позитивізм другий€ позитивізм емпіріокритицизм і третій€ позитивізм неопозитивізм. Засновником позитивізму був О.Спенсер ще один представник першого позитивізму. Представниками ІІго позитивізму є Е.
25282. Философия прагматизма и неопрагматизма: основные идеи, их эволюция 36 KB
  опыте Мид социальный бихевиоризм и теория значения Неопрагмм К. Теория сомненияверы. наука сама на нее опирается Теория значения. Теория истины.
25283. ЭКЗИСТЕНЦИАЛИЗМ (Э.) 45 KB
  Альбер КАМЮ 19131960 Алжирский унивт. Альбер Камю 1913 1960. Особенностью философии Камю является то что у него нет систематизированного и всеохватывающего философского учения он занимается почти исключительно этическими проблемами. Основная философская работа Камю Миф о Сизифе открывается словами: Есть лишь одна действительно серьезная философская проблема: это самоубийство.
25284. Екзистеційна філософія у Східній Європі 25 KB
  Достоєвський. Достоєвський виступає проти будьякого насильства навіть якщо воно від імені Бога і проповідує шлях добровільного служіння людям задля досягнення земного раю . Достоєвський був палким прихильником релігії бо вважав що вона повністю ґрунтується на моральних мотивах а нерелігійне раціональне ставлення до світу провокує вседозволеність та аморалізм. Але Достоєвський розуміє релігію специфічно.
25285. Релігієзнавство як самостійна дисципліна гуманітарного знання встановлюється у другій половині ХІХ століття 38.5 KB
  Лише значні доробки в інших сферах знання щодо питання релігії сприяли постановці суто релігієзнавчих проблем. В контексті Просвітництва акумулювалася концепція яка стає відомою під назвою концепція природної релігії€ обмеженої лише розумом. Досвіди раціонального осмислення релігії які з’явилися у появі філософії релігії. Перші автори які торкалися проблеми релігії і їх дослідження з’являються в ХХІ ст.
25286. Проблема сутності релігії, її визначальні характеристики. Специфіка релігійного світосприйняття 29 KB
  Специфіка релігійного світосприйняття Походження слова релігія€: 1 Цицерон виводив релігію із relegere перечитувати перебирати. У нього релігія – це начитаність знання на відміну від неуцтва; 2 Лактанцій виводив назву релігія€ від основи ligo зв’язувати скріплювати сполучати. Релігія у нього – це зв’язок між Богом і людиною; 3 Августин – від основи religo поєднувати союз між двома істотами. Релігія розуміється як союз Бога із занепалою людиною.
25287. Віра і релігійна віра. Психологічні аспекти осягнення феномену віри 28.5 KB
  Віра і релігійна віра. Психологічні аспекти осягнення феномену віри Поняття віра€ є полісемантичним багатозначним. Віра – це особливого роду суб’єктивний акт те як ми віримо. У змістовному відношенні виділяють: 1 етичну віру віра довір’я; напр.
25288. Вчення про Бога: теїзм, деїзм, пантеїзм 28.5 KB
  Вчення про Бога: теїзм деїзм пантеїзм Теїзм від грецького theos бог – релігійнофілософське вчення яке визнає існування Бога як надприродної істоти що наділена розумом і волею і таємничим чином впливає на всі матеріальні та духовні процеси. На відміну від деїзму теїзм стверджує безпосередню участь Бога в усіх світових подіях а на відміну від пантеїзму відстоює існування Бога поза світом і над ним. deus – бог – вчення яке визнає існування Бога в якості першопричини світ який потім розвивається за своїми власними законами. деїзм...