1粘滞系数测定实验

实验 液体粘滞系数的测定当液体内各部分之间有相对运动时，接触面之间存在内摩擦力，阻碍液体的相对运动，这种性质称为液体的粘滞性，液体的内摩擦力称为粘滞力粘滞力的大小与接触面面积以及接触面处的速度梯度成正比，比例系数 η 称为粘度（或粘滞系数） 对液体粘滞性的研究在流体力学，化学化工，医疗，水利等领域都有广泛的应用，例如在用管道输送液体时要根据输送液体的流量、压力差、输送距离及液体粘度，设计输送管道的口径测量液体粘度可采用落球法，毛细管法（奥氏粘滞计） ，转筒法等方法本实验根据所用方法的不同，分成两个部分，第一部分采用落球法测定变温情况下的液体（蓖麻油）粘滞系数，第二部分则是采用毛细管法测定室温下的液体粘滞系数（该方法比较适合用于生物医学应用，比如测量血液的粘度） 实验一 落球法测变温液体的粘滞系数落球法（又称斯托克斯法）适用于测量粘度较高的液体一般而言，粘度的大小取决于液体的性质与温度，温度升高，粘度将迅速减小例如对于蓖麻油，在室温附近温度改变 ，粘度值改变约 10%因此，测定液体在不同温度的粘度有很大的实际意义，C1欲准确测量液体的粘度，必须精确控制液体温度实验中，小球在液体中下落的时间可用秒表来测量。

一、实验目的1．用落球法测量不同温度下蓖麻油的粘度2．了解 PID 温度控制的原理3．练习用秒表计时，用螺旋测微计测量小球直径二、实验原理在稳定流动的液体中，由于各层的液体流速不同，互相接触的两层液体之间存在相互作用，流动较慢的液层阻滞着流动较快的液层运动，所以产生流动阻力实验证明：若以液层垂直的方向作为 x 轴方向，则相邻两个流层之间的内磨擦力 f 与所取流层的面积S 及流层间速度的空间变化率 的乘积成正比：dv(1) Sdxvf其中 称为液体的粘滞系数，它决定液体的性质和温度粘滞性随着温度升高而减小如果液体是无限广延的，液体的粘滞性较大，小球的半径很小，且在运动时不产生旋涡，那么，根据斯托克斯定律，小球受到的粘滞力 f 为：2（2）vrf6式中 称为液体的滞粘系数， 为小球半径， 为小球运动的速度若小球在无限广延的r液体中下落，受到的粘滞力为 ，重力为 ，这里 为小球的体积， 分别gV0为小球和液体的密度， 为重力加速度小球开始下降时速度较小，相应的粘滞力也较g小，小球作加速运动但随着速度的增加，粘滞力也增加，最后小球的重力、浮力及粘滞力三者达到平衡，小球便开始作匀速运动，此时的速度 v0 称为收尾速度，可由（3）式求出。

3）600rgV小球体积 V 与直径 d 的关系为：（4） 3314dr把（4）式代入（3） ，得（5）0218)(vg式中 v0 为小球的收尾速度，d 为小球的直径由于(1)式只适合无限广延的液体，即小球直径 d 远小于液柱直径 D，而本实验中的小球是在直径为 D 的装有液体的圆柱形有机玻璃圆筒内运动，液柱面并不是无限广延的，因此必须考虑管壁对小球有影响， （5）式应修正为： （6） )1(802dKvg式中 为实验条件下的收尾速度，D 为量筒的内直径，K 为修正系数，这里取 K=2.4 0v收尾速度 可以通过测量玻璃量筒某两个刻度线 A 和 B 的距离 S 和小球下落 S 距离的时间 t 得到，即 tSv0因此： （ ） (7))1(820DdKStg4.2K（K=2.4，D=22mm , d=1.5mm, S=15cm ）（ ）3095.cmg3cmg0.73三、实验仪器1. 水循环加热 PID 温控实验仪2. 变温液体粘滞系数测定仪3.电子秒表、螺旋测微计。

4.小钢球、镊子、磁性吸球铁块、蓖蔴油等1. 落球法变温粘度测量仪 ：变温粘滞系数实验仪的外型如图 1 的左部所示待测液体装在细长的储液管中，储液管外面有一层密封的玻璃空心夹层（即加热水套） ，储液管外的加热水套连接到温控仪，温度控制器通过循环水泵，把热水不断从玻璃夹层圆筒的底端送入，通过热循环水加热液体使被测液体温度较快地与加热水温度达到平衡储液管壁上有刻度线和上、下标志线，便于测量小球下落的距离底座下设有调节螺钉，用于调节储液管的铅直2. 开放式 PID 温控实验仪：温控实验仪如图 1 的右部所示它包含水箱、水泵、加热器、控制与显示电路等部分本温控实验仪内置微处理器，带有数字式显示，可以根据实验对象要求对 PID 参数进行设置，以满足实验需要开机后，水泵开始运转，设定温度及 PID 参数按 SET 键选择设置项目，按上调、下调键设置参数图 1 变温粘滞系数实验仪及 PID 温控实验仪外观图温度设置的具体步骤如下：（1）先按一下“设定键 SET( ） ”约 0.5 秒2）按“位移键（ ） ”，选择需要调整的“位数” ，数字闪烁的位数即是当前可以4进行调整操作的“位数” 3）按“上调（ ） ”或“下调（ ） ”确定当前“位数值” ，接着按此办法调整，直到各位数值都满足温度设定要求。

4）再按一次“设定键 SET”，退出设定工作程序当实验中需改变温度设定，重复以上步骤即可四、实验内容与步骤1. 调节底脚螺丝，使玻璃量筒的中心轴处于铅直位置在储液管中注入待测的蓖麻油2. 测量实验开始之前的室温 T 和此时的蓖麻油密度值，并记录储液管内径 D（因储液管的特殊结构，故其内径 D 在制造时定为 23mm） 3. 用螺旋测微器测量小钢球的直径 d，共测相同规格的钢球约 20 个，并记下螺旋测微计的初读数 d0，求出钢球直径平均值 4. 首先，测量室温 T 1 时的粘滞系数用镊子夹起小钢球，放到玻璃圆筒上盖的中心落孔处，使小球沿圆筒轴线下落，观察小球在什么位置开始作匀速运动（达到收尾速度 v） 5. 使小球下落，当小球经过匀速运动区间起点附近的某一刻度时，立即启动秒表使其开始计时, 而当小球到达底部附近的某一刻度线时，使秒表停止计时，于是秒表就记录了小球从某个起点刻度下落到某个终点刻度（即下落约 20cm 的距离 S）所需的时间 t 6. 重复步骤 5，连续测量 3 个相同规格小球下落相同距离 S 所耗的时间 t，可得到该温度下小球下落距离 S 的时间平均值 7. 其次，测量不同温度的粘滞系数 。

调节按钮，设置温度值 T2 超出室温 5oC，再用三个小球分别测出下落时间 t然后，通过设置按钮将温度相继升高 5oC 到 T 3、T 4、T 5、重复以上测量步骤共测出 5 个左右的温度点的情况8. 实验结束后，用磁性块取出管中的小钢球并进行清洁整理五、数据记录与处理蓖蔴油密度 钢珠的密度3095.cmg 3cmg80.7D=23mmd =1.5mm 4.2K测量温度：室温 T 1 , 30, 35, 40, 45 度；每个温度测三个有效的小球数据针对不同温度 T，计算相应的 值，并用坐标纸作 关系曲线T~思考题51. 试分折选用不同的密度和不同半径的小球作此实验时，对实验结果有何影响？2. 在特定的液体中，当小球的半径减小时，它的收尾速度如何变化？当小球的速度增加时，又将如何变化？蓖麻油的粘滞系数标准值温度 (0C) 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50（10 -3Pa·S）5.30 2.42 1.52 0.98 0.62 0.45 0.31 0.23 ? 0.13)1(820DdKStg（K=2.4，D=22mm , d=1.5mm, S=15cm ）（ ）3095.cmg3cmg0.7。