3642

Лабораторные работы. Физические свойства жидкостей

Лабораторная работа

Физика

Изучение физических свойств жидкости. Цель работы: освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей. Схема устройства...

Русский

2012-11-05

437.5 KB

174 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Изучение физических свойств жидкости.

Цель работы: освоение техники измерения плотности, теплового расширения, вязкости и поверхностного натяжения жидкостей.

 Схема устройства.

1 – термометр;

2 - ареометр;

3 – вискозиметр;

4 - капиллярный вискозиметр;

5 – сталагмометр.

Определение коэффициента теплового расширения жидкости.

Порядок выполнения работы:

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

2) Вычислить приращение объема термометрической жидкости , где r- радиус капилляра термометра.

3) С учетом начального (при 00С) объема термометрической жидкости W - значение коэффициента теплового расширения   и сравнить его со значением . Значение используемых величин занести в таблицу.

1) Число делений 52

2) r=0,01 см.   

3)

Жидкость

кг/м3

МПа-1

С-1

м2/с

Н/м

Вода пресная

998

0,49

0,15

1,01

73

Спирт этиловый

790

,78

1,10

1,52

23

Масло:

Автол М-8В

900

0,60

0,64

300

25

Индустриальное 20

900

0,72

0,73

110

25

Трансформаторное

890850

0,60

0,70

30

25

АМГ-10

0,76

0,83

20

25

Жидкость в термометре – автол.

Вид жидкости

r ,см

W,см3

T, 0С

L, см

W, см3

, 0С-1

С-1

Спирт

0,01

0,0274

27,4.10-3

5

15,7*10-4

0,573

0,64

Измерение плотности жидкости ареометром.

Порядок выполнения работы:

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

2) Вычислить плотность жидкости по формуле  где т и d –масса и диаметр ареометра. Эта формула получена путем приравнивания силы тяжести ареометра G=mg и выталкивающей (архимедовой) силы PA=pgw , где объем погруженной части ареометра W= (d2/4)h.

3) Сравнить опытные значения плотности р со справочным значением р* . Значение используемых величин свести в таблицу.

Вид жидкости

m, г

d, см

h ,см

,г/см3

,г/см3

Вода

5,5

1,1

6

0,9

0,998

Определение вескости вискозиметром Стокса.

Порядок выполнения работы:

1) Повернуть устройство №1 в вертикальной плоскости на 1800 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 3 раза, а затем определить среднеарифметическое значение времени t.

2) Вычислить опытное значение кинематического коэффициента вязкости жидкости  , где g - ускорение свободного падения;   d, D - диаметры шарика и цилиндрической емкости; p, pш - плотности жидкости и материала шарика;

3)Сравнить опытным путем значение коэффициента вязкости  с табличным значением *  . Значения используемых величин свести в таблицу.

Вид жидкости

,

кг/м3

t,с

l,м

d,м

D,м

ш,

кг/м3

,м2/с

*м2/с

М-8В

900

17

0,07

0,008

0,02

982

300·10

300·10

Измерение вязкости капиллярным вискозиметром.

Порядок выполнения работы:

1) Перевернуть устройство №1 в вертикальной плоскости и определить секундомером время стечения через капилляр объема жидкости между метками из емкости вискозиметра 4 и температуру Т по термометру 1.

2) Вычислить значение кинематического коэффициента вязкости  (М – постоянная прибора)  и сравнить его с табличным значением. Данные свести в таблицу.

Вид жидкости

М,м2/с2

t,с

м2/с

T,0С

*м2/с

М-8В

366·10

125

457,5·10

27

300·10

Измерение поверхностного натяжения сталагмометром.

Порядок проведения работы:

1) Повернуть 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 числа капель n.

2) Найти опытное значение коэффициента поверхностного натяжения (К – постоянная сталагмометра) и сравнить его с табличным значением. Данные привести в таблицу.

Вид жидкости

К,м3/с

,кг/м3

n

,Н/м

*H/м

М-8В

6,1·10

900

190

0,028

0,025

βт=(0,00157/0,0274)/50=1,1·10ºс

ρ=4·5,5/3,14·1,1²·6)=0,9 г/см³;

ν=м²/с;

ν=3,66·10·125=457,5·10м²/с;

σ=6,1·10·900/190=0,028 Н/м.

Вывод: Входе проведения лабораторной работы ознакомились с методами измерения температуры, плотности, вязкости, поверхностного натяжения. Сверившись со стандартными данными убедились в правильности методов   измерения (расчёты по опытным данным совпали с табличными).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Изучение приборов для измерения давления.

Цель работы: Изучение устройства и принципа действия жидкостных приборов для измерения давления.

1.Полость с атмосферным давлением;

2. опытный резервуар; 3-пьезометр; 4-уровнеметр; 5-мановакуметр; 6-пьезоиетр; 7-вакуметр

Описание устройства №2 и жидкостных приборов.

Ртутный барометр состоит из вертикальной стеклянной трубки с миллиметровой шкалой и закрытым верхним кольцом, которая заполнена ртутью, и чаши с ртутью, в которую опущена трубка нижним концом.

Для демонстрации других приборов служит устр. №2, которое выполнено прозрачным и имеет полость 1, в которой всегда сохраняется атмосферное давление, и резервуар 2, частично заполнен водой (рис. а). Для измерения давления и уровня жидкости в резервуаре 2 служат жидкостные приборы 3,4 и5 .Они представляют собой произвольные вертикальные каналы со шкалами, размеченными в единицах длины.

Однотрубный манометр 3 сообщается верхним концом с атмосферой, а нижний- с резервуаром 2. Им определяется манометрическое давление Рм=ρghм на дне резервуара.

Уровнемер 4 соединен обоими концами с резервуарами и служит для измерения уровня жидкости H в нём.

Мановакууметр представляет собой U- образный канал, частично заполненный жидкостью. Левым коленом он подключён к резервуару 2, а правым к полости 1 и предназначен для определения манометрического Рмо=ρghм  (рис. а) или вакуумметрического  Рво=ρghв (рис. б)давлений над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2. Давление в резервуаре можно изменять путём наклона устройства.

При повороте устройства в его плоскости на 180º против часовой стрелки (рис. в) канал 4 остаётся уровнемером, колено мановакууметра 5 преобразуется в пьезометр 6, а пьезометр 3-в вакуумметр 7, служащий для определения вакуума Рво=ρghв над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2.

Вывод: В результате проведения лабораторной работы ознакомились принципом работы приборов для измерения давления – манометров. Принцип работы которых основывается на уравновешивании измеряемого давленя Р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе, т.е. работа приборов основывается на принципе сообщающихся сосудов.

  

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Измерение гидростатического давления.

Цель работы: Приобретение навыков по измерению гидростатического давления жидкостными приборами.

1.Полость с атмосферным давлением;

2. опытный резервуар; 3-пьезометр; 4-уровнеметр; 5-мановакуметр; 6-пьезоиетр; 7-вакуметр.

Порядок выполнения работы

  1.  В резервуаре 2 над жидкостью создать давление выше атмосферного (Ро>Ра), о чём свидетельствует превышения уровня жидкости в пьезометре 3 над уровнем в резервуаре и прямой перепад уровней в мановакуметре (рис. а).Для этого устройство поставить на правую сторону , затем поворотом его против часовой стрелки отлить часть жидкости из левого колена мановакууметра 5 в резервуар 2.
  2.  Снять показания пьезометра hп, уровнемера Н и мановакууметра hм.
  3.  Вычислить абсолютное давление на дне резервуара через показания пьезометра, а затем через величины, измеренные уровнемером и мановакууметром. Для оценки сопоставимости результатов определения давления на дне резервуара двумя путями найти относительную погрешность δр.
  4.  Над свободной поверхностью жидкости в резервуаре 2 создать вакуум (Ро<Ра), когда уровень жидкости в пьезометре 3 становится ниже . чем в резервуаре. А на вакуумметре 5 появляется обратный перепад Hв (рис. б). Для этого устройство поставить на левую сторону, а затем наклоном вправо отлить часть жидкости из резервуара 2 в левое колено мановакууметра 5. Дальше см. п.п.2 и3.
  5.  перевернуть устройство против часовой стрелки (рис. в) и определить манометрическое или вакуумметрическое давление в заданной точке С через показания пьезометра 6 , затем с целью проверки найти его через показания обратного пьезометра 7 и уровнемером 4.

№ п/п

Наименование величин

Обозначения, формулы

Условия опыта

Р0РА          Р0 РА        

1.

Пьезометрическая высота, м

hn

22,1

5,6

2,

Уровень жидкости в резервуаре, м

H

7,8

10,4

3,

Манометрическая высота, м

hm

14,6

----

4,

Вакуумметрическая высота, м

hB

-----

4,6

5,

Абсолютное давление на дне резервуара по показанию пьезометра, Па

103520,2

101873,8

6,

Абсолютное давление в резервуаре над жидкостью, Па

102755,8

-------

-----

100874,2

7,

Абсолютное давление на дне резервуара через показания мановакууметра и уровнемера, Па

103520,2

101,893,4

8,

Относительная погрешность результатов определения давления на дне резервуара, %

0

-0,01

Pa=101325 Па; PH2o=1000 кг/м³ ; P=Pa+ρghп ;

P1=101325+1000·9.8·0.224=103520.2 Па;

P2=101325+1000·9.8·0.056=101873.8 Па;

Po=Pa+ρghп;

Po=101325+1000·9.8·0.106=102755.8 Па;

Po=Pa-ρghв;

Po=101325-1000·9.8·0.046=100874.2 Па;

P*=Po+ρgh;

P*=102755.8+1000·9.8·0.078=103520.2 Па;

P*=100874.2+1000·9.8·0.104=1011893.4 Па;

δp=100(103520.2-103520.2)/103520.2 Па;

δp=100(101873.8-101893.4)/101873.8=-0.01 %

Вывод: Научились определять давление путём измерения разности уровней сообщающихся сосудов и переводить показания приборов в абсолютные давления.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Изучение структуры потоков жидкости.

Цель работы: Наблюдение потоков жидкости с различной структурой и выявление факторов, влияющих на структуру.

1,2-баки;  4,5-опытные каналы; 7-решётка;

3-перегордка; 6-щель;   8-уровневая шкала;

Порядок выполнения работы.

  1.  Создать в канале 4 ламинарный режим движения жидкости. Для этого при заполненном водой баке 1 поставить устройство баком 2 на стол. (Рис. а) Наблюдать структуру потока.
  2.  Повернуть устройство в вертикальной плоскости по часовой стрелке на 180º (рис. б). Наблюдать турбулентный режим течения в канале 5.
  3.  При заполнении водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 5 занял нижнее горизонтальное положение(рис. в). Наблюдать в канале процесс перехода от турбулентного режима к ламинарному.
  4.  При заполнении водой баке 2 поставить устройство так, чтобы канал 4 занял нижнее горизонтальное положение (рис.г). Наблюдать за структурой потока в баке при внезапном сужении, внезапном расширении в канале за щелью и при выходе потока из канала в бак 1. Обратить внимание на вальцовые зоны, транзитную струю и связь скоростей с площадями сечений каналов.
  5.  При заполненном баке 1 наблюдать структуру течения при обтекании перегородки 3 (рис. д).
  6.  Сделать зарисовку структуры потоков.

Ламинарный режим

Турбулентный режим

Расширение потока

Обтекание стенки

Вывод: : Наблюдали структуру потока ,выявили  факторы влияющие на структуру потока, а именно скорость движения жидкости и ее вязкость. Выяснили что на структуру потока влияют следующие факторы: вязкость жидкости, скорость потока и характерный размер канала (в нашем случае диаметр), т.е. составляющие числа Рейнольдса.

                      

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Определение режима течения.

Цель работы: Освоение расчетного метода определения режима течения.

Порядок выполнения работы.

  1.  Создать в канале 4 течение жидкости при произвольном наклоне устройства №3 от себя.
  2.  Измерить время t перемещения уровня воды в баке на некоторое расстояние S и снять показания термометра T, находящегося в устройстве №1.
  3.  Подсчитать число Рейнольдса по порядку указанному в таблице.
  4.  Повернуть устройство в его плоскости на 180º и выполнить операции по н.п. 2,3.
  5.  Сравнить полученные значения чисел Рейнольдса между собой, и затем на основе сравнения с критическим значениями, сделать вывод о режиме течения.

№ п/п

Наименование величин

Обозначения, формулы

№ опыта

1

2

1

Изменение уровня воды в баке, см

S

6

6,3

2

Время наблюдения за уровнем, с

t

17

7

3

Температура воды, 0С

T

24

24

4

Кинематический коэффициент вязкости воды, см2/с

0,0092

0,0092

5

Объем воды, поступающей в бак за время t, см3

W=ABS

504

529,2

6

Расход воды, см3/с

Q=W/t

29,6

75,6

7

Средняя скорость теченя в канале, см/сек

V=Q/

11,84

30,24

8

Число Рейнольдса

Re=Vd/

1801,7

4601,7

9

Название режима течения

Re(<,>)Rek=2300

Ламин.

Турб.

А=21 см, В=4 см, d=1.4 cm; ω=2.5 cm².

υ=17.9/(1000+34·24+0.22·24²)=0.0092 cm²/c;

W1=21·4·6=504; W2=21·4·6.3=529.2 cm³;

Q1=504/17=29.6 cm³/c;   Q2=529.2/7=75.6 cm³/c

V1=29.6/2.5=11.84 cm/c; V2=75.6/2.5=30.24 cm/c;

Re=11.84·1.4/0.0092=1801.7; Re=30.24·1.4/0.0092=4601.7

Вывод: Освоили расчетные методы определения режима течения жидкости. На основе полученных данных можно сделать вывод, что в первом случае т.к. Re=1807.7<Reкр=2300 режим течения ламинарный, а во втором

Re>Reкр=2300 режим течения турбулентный.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Эксперементальное изучение уравнения Бернулли.

Цель работы: Опытное подтверждение уравнения Бернулли, т.е. понижения механической энергии по течению и перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно (связи давления со скоростью).

Порядок выполнения работы.

  1.  При заполнении водой бак 2 перевернуть устройство для получения течения в канале переменного сечения 3.
  2.  Снять показания пьезометра Hп=P/(ρg) по нижним частям менисков воды в них.
  3.  Измерить время t перемещения уровня в баке на произвольно заданную величину S.
  4.  По размерам А и В поперечного сечения бака, S, и времени t определить расход воды в канале , а затем скоростные Hk и полные H напоры в сечениях канала по порядку, указанному в таблице.
  5.  Вычертить пьезометрическую линию и напорную линию.
  6.  Проанализировать изменение полной механической, потенциальной и кинетической энергии.

Обработка опытных данных.

 

№

п/п

Наименование

Величин.

Обозначения,

формулы

Сечения канала

I

II

III

IV

V

VI

1.

Площадь сечения канала, см

ω

0.45

0.45

0.35

0.35

0.7

0.3

2.

Средняя скорость, см/с

V=Q/ω

54.4

54.4

70

70

35

81.6

3.

Пьезометрический напор, см

Hп=P/(ρg)

8

7.5

5

2.5

3

---

4.

Скоростной напор, см

Нк=

1,5

1,5

2,4

2,4

0,62

3,39

5.

Полный напор, см

9,5

9

7,4

4,9

3,62

3,39

А=21 см, В=4см, S=7 см, t=24 с, Q=ABC/t=24.5см/с

V1=VII=Q/ω=24.5/0.45=54.4 cm/c

VIII=VIV=Q/ω=24.5/0.35=70  cm/c;

VV=24.5/0.7=35 cm/c;

VVI=24.5/0.3=81.6 cm/c;

HkI,II==54.4/(2·9.81)=1.5 cm;

HkII,IV==70/(2·9.81)=2.4 cm;

HV=35/(2·9.81)=0.62 cm;

HVI=81.6/(2·9.81)=3.39 cm;

Вывод: Следуя из уравнения Бернулли можно сделать вывод, что в случае отсутствия теплообмена потока с внешней средой полная удельная энергия постоянна вдоль потока, следовательно, изменения одного вида энергии приводит к изменению другого вида энергии, противоположного по знаку. У нас получилось, что при расширений потоков скорость U и кинетической энергий v/2q уменьшаются, что приводит в силу сохранения баланса вызывает увеличение потенциальной  энергий Р (рq),т.е. понижение скорости потоков U по течению приводит к возрастанию давлению Р и наоборот. Наши измерения соответствуют уравнению Бернулли.  

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Определение местных потерь напора.

Цель работы: Определение опытным путем потерь напора на преодоление местных сопротивлений и сравнение их с рассчитанными по инженерным формулам.

Порядок выполнения работы.

  1.  Перенести из таблицы л.р. №6 значения площадей сечений и скоростей.
  2.  Определить опытные значения местных потерь hm(hbc,hp) из графика.
  3.  Найти расчётное значения местных потерь, сравнить их с опытными.

№

пр

Наименование

величин

Обозначение

формул

Вид сопротивления

сужение

расширение

1 (II)

2(III)

1(IV)

2(V)

1.

Площади сечений, см²

ω

0.45

0.35

0.35

0.7

2

Средние скорости за сопротивлением, см

V2

54.4

70

70

35

3

Опытное значение местных потерь, см

hm(hbc,hp)

7,6

3,62

4.

Коэффициенты местных сопротивлений

0,11

-----

------

1

5,

Расчетное значение местных потерь, см

 

21,69

140

Вывод: Определили опытным путем потери напора на преодоление местных сопротивлений эти значения менее точны по сравнению с данными рассчитанными по инженерным формулам.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

Определение потерь напора по длине.

Цель работы: Освоение экспериментального и расчетного способов определения потерь напора на трение   по длине.

Порядок выполнения работы.

  1.  При заполненном водой баке  поставить устройство на стол баком 2.
  2.  Снять показания пьезометров I-V , измерить время t изменения уровня в баке на произвольно заданную величину S и температуру T в помещении.
  3.  Построить по показаниям пьезометров пьезометрическую линию. На этой линии выделить участок с постоянным наклоном. Определить его длину e и опытное значение потерь he по показаниям крайних пьезометров на ней.
  4.  Найти число Рейнольдса и расчётное значение потерь напора he* по порядку, и относительное расхождение опытного и расчётного значений потерь напора.

D=0.5 см; w=0.25 cm^2; A=21 cm; B=4 cm; T=24 ; S=7 cm; t=30 c; Q=ABS/t=19.6 ; V=q/w=19.6/0.25=78.4 cm/c

Абсолютную шероховатость стенок канала принять равной Δ=0,001 мм.

 

№

Наименование величины

Обозначения, формулы

Значения

1.

Показания пьезометров, см

7;5.5;4;3.8;1.5

2.

Длина участка с равномерным движением, см

l

4

3.

Опытное значение потерь напора подлине, см

2,5

4.

Кинематический коэффициент вязкости воды,

0,0092

5.

Число Рейнольдса.

4260,87

6.

Коэффициент трения

при Re<2300

       2300<Re<10d/Δ

       Re>10d/Δ

λ=64/Re

λ=0.316/Re

λ=0.11

0,015

0.04

0.04

7.

Расчетное значение потерь напора по длине, см

2,7

8.

Относительное расхождение.

0,08

=4/1000·9,8-1,5/1000·9,8=2,5

=17,9/(1000+34*24+0,22*24^2)=0.0092

Re=Vd/v=78.4*0.5/0.0092=4260.87

λ=64/Re=64/4260.87=0.0150

λ=0.316/Re=0.316/(4260.87)=0.039

λ=0.11(68/Re+Δ/d)=0.11(68/4260.87+0.001/0.5)=0.04

hэ=0,04

σп=(2,5·2,7)/2,5=0,08

Вывод: В ходе лабораторной работы научились определять потери напора на трение по длине экспериментальным и расчетным способом.

Потери напора по длине вызваны тормозящим действием стенок, приводящим к вязкостному трению частиц и стружек жидкости друг о друга вдоль трубопровода.


Изм.

ист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист