Оглавление Введение Глава1. Характеристика жидкости как

Оглавление
Введение
Глава1. Характеристика жидкости как агрегатного состояния
1.1.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
1.2.
Вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения
Глава
2
Экспериментальное
сравнение
некоторых
свойств
ньютоновской
и
неньютоновской жидкостей
2.1. Определение коэффициента поверхностного натяжения ньютоновской жидкости,
исследование его зависимости от температуры
2.2. Определение коэффициента вязкости ньютоновской жидкости
2.3. Моделирование неньютоновской жидкости исследование её свойств
2.4.Выводы, вытекающие из результатов эксперимента
Заключение
Введение
С научной точки зрения жидкость это - одно из агрегатных состояний вещества.
Основным свойством жидкости является, то, что она способна менять свою форму под
действием механического воздействия. Жидкости бывают идеальные и реальные.
Идеальные
-
невязкие
жидкости,
обладающие
абсолютной
подвижностью,
т.е.
отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью, а
объёме под воздействием внешних сил. Реальные - вязкие жидкости, обладающие
сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной
подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не
сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкости бывают
идеальные и реальные. Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной
подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной
неизменностью, а объёме под воздействием внешних сил. Реальные - вязкие жидкости,
обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и
достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими (бингамовскими).
Неньютоновская жидкость не такая как все, ее странность заключается в том, что при
быстром взаимодействии она ведет себя как твердое тело, а при медленном – как
жидкость.
Цель работы: сравнить свойства ньютоновской и неньютоновской жидкостей
Задачи:
 подобрать и проанализировать литературу по данной теме;
 провести лабораторный эксперимент по исследованию ньютоновской жидкости;
 «изготовить» неньютоновскую жидкость и изучить её свойства;
 сравнить полученные результаты и сделать выводы
Объектами исследования являются: глицерин, вода, изготовленная неньютоновская
жидкость
Предметом исследования являются свойства жидкостей
Рабочая гипотеза: неньютоновская жидкость проявляет свои свойства иначе, чем
ньютоновская
Глава1. Характеристика жидкости как агрегатного состояния
1.1.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Если в движущейся жидкости её вязкость зависит только от её природы и температуры и
не зависит от градиента скорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним
относятся однородные жидкости. Когда жидкость неоднородна, например, состоит из
крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры, то при её течении
вязкость зависит от градиента скорости. Такие жидкости называют неньютоновскими.
Неньютоновские жидкости не поддаются законам обычных жидкостей, эти жидкости
меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не
только механическим воздействие, но и даже звуковыми волнами. Если воздействовать
механически на обычную жидкость то чем большее будет воздействие на нее, тем больше
будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словами чем сильнее воздействовать на
жидкость, тем быстрее она будет течь и менять свою форму. Если воздействовать на
Неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мы получим совершенно другой
эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тел и вести себя как твердое тело,
связь между молекулами жидкости будет усиливаться с увеличением силы воздействия на
нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднением сдвинуть слои таких
жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает при уменьшение скорости
тока жидкости
1.1.
Вязкость, плотность, поверхностное натяжение
Как у всего сущего на земле, у жидкости есть свои свойства.
Вязкость - это способность оказывать сопротивление перемещению одной из части
относительно другой - то есть как внутреннее трение. Вязкость важная физикохимическая характеристика веществ. Значение вязкости приходится учитывать при
перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). Вязкость
расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. В.
расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По вязкости во многих случаях
судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку
она тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения
материала, которые происходят во время технологических процессов. Вязкость масел
имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет вязкость движением и взаимодействием
молекул.
В жидкостях
вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием ,
ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой
лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На
образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации
вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления.
В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры
и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер η
увеличивается в десятки и сотни раз.
Плотность — физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его
единичного объёма. Плотность вещества зависит от массы атомов, из которых оно
состоит, и от плотности упаковки атомов и молекул в веществе. Чем больше масса
атомов, тем больше плотность.
Поверхностное натяжение
Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности.
Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между
жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях
по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости, в отличие
от молекул в ее глубине, окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы
межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со
стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном
слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на
данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате
появляется некоторая равнодействующая сила, направленная вглубь жидкости. Если молекула
переместиться с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия
совершат положительную работу. Наоборот, чтобы вытащить некоторое количество молекул из
глубины жидкости на поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), надо
затратить положительную работу внешних сил, пропорциональную изменению площади
поверхности.
Коэффициент поверхностного натяжения равен работе, необходимой для увеличения площади
поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу. Eр = Aвнеш = σS.
В СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в джоулях на метр квадратный (Дж/м2)
или в ньютонах на метр (1 Н/м=1 Дж/м2). Следовательно, молекулы поверхностного слоя
жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной
энергией. Потенциальная энергия Ep поверхности жидкости пропорциональна ее площади. Из
механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее
потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится
сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную
форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы,
сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного
натяжения. Наличие сил поверхностного натяжения делает поверхность жидкости похожей на
упругую растянутую пленку, с той только разницей, что упругие силы в пленке зависят от
площади ее поверхности (т.е. от того, как пленка деформирована), а силы поверхностного
натяжения не зависят от площади поверхности жидкости.
Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение. Из-за сохранения
объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность
является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая
фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если
жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы,
которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного
натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится
стянуться. Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между
молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится
"окружить" себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность
стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся
принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает
шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она
обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости.
Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны "плавать" на
поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей
увеличению площади поверхности.
Глава 2 Экспериментальное сравнение некоторых свойств ньютоновской и
неньютоновской жидкостей
2.1. Определение коэффициента поверхностного натяжения ньютоновской жидкости,
исследование его зависимости от температуры
Метод Ребиндера (метод определения максимального давления в пузырьке).
В исследуемую жидкость
сосуде
(рис.),
1, находящуюся в
вертикально
опускается
капиллярная трубка 2, узкий конец которой
диаметром не более 0,5 мм касается мениска
исследуемой
жидкости.
Другим
концом эта
трубка сообщается с атмосферным воздухом,
поэтому
внутри
капилляра
атмосферное
Давление
поддерживается
давление
р
над
исследуемой
ро.
жидкостью
постепенно уменьшают с помощью водяного
насоса. Разность давлений (ро − р) стремиться
выдуть пузырек воздуха из капилляра в жидкость,
но этому противодействует добавочное давление
Δр = 2σ/r,
создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости в образующемся пузырьке радиуса r и
направленное
к
центру
Наконец, при некоторой разности давлений (
пузырька.
ро − р) из капиллярной трубки выдувается в
жидкость воздушный пузырек. Разность давлений (ро − р), максимальная в этот момент,
измеряется U-образным манометром и равна ρgh, где ρ − плотность жидкости в манометре, h −
разность
ее
уровней.
Таким образом, в момент выдувания пузырька имеет место равенство:
ρgh = 2σ/r. (1)
Здесь неизвестен радиус
r выдуваемого пузырька, измерить который крайне затруднительно.
Поэтому прибегают к использованию эталонной жидкости, коэффициент поверхностного
натяжения σo которой известен и близок к коэффициенту поверхностного натяжения σ
исследуемой жидкости. При этом полагают, что радиусы пузырьков, выдуваемых из одного и того
же
капилляра
в
обоих
случаях
будут
одинаковы.
Теперь вместо исследуемой жидкости в сосуд наливают эталонную жидкость и измеряют по
манометру максимальную разность уровней
эталонной жидкости и выполняется равенство:
ρgho = 2σo/r. (2)
ho, при которой пузырек воздуха выдувается в
Разделив уравнение (1) на (2) и решив относительно
σ, получаем формулу для вычисления
поверхностного натяжения исследуемой жидкости:
σ = σoh/ho.
№
t = 200С; σo, мН\м
t = 320С;
опыт
h0, см
h1, см
σ1
t = 480С;
σ2
h2, см
а
1
6
2
6
7
6,5
3
8,5
10
6
4
8
4
6,5
5
10
6,5
7
6
4
7
5
7
6,5
6
7
8
7
7
7
h ср
7
6,9
5,68
σ1 =
σ2 =
73
8
72
7,5
59
=72 мН
=59 мН
Вывод: с увеличением температуры коэффициент поверхностного натяжения жидкости
уменьшается
2.2. Определение коэффициента вязкости ньютоновской жидкости
2
3
Стокс установил, что при малых скоростях движения тела
шарообразной формы в жидкости, когда не возникает вихрей,
1
4
жидкости. Слой жидкости, смачивающей твердое тело,
fC
fA
сила сопротивления движению обусловлена только вязкостью
5
увлекается не полностью. Следующий слой движется за телом
с меньшей скоростью, более удаленный слой – с еще меньшей
скоростью, следующий за ним слой – с еще меньшей
G
скоростью и т. д.
Согласно
закону
Стокса
сила
сопротивления
(сила
вязкого
трения)
прямо
пропорциональна первой степени скорости движения тела, коэффициенту вязкости и
линейным размерам тела.
Схема экспериментальной установки для определения вязкости по методу Стокса
показана на рис. и состоит из 3-х вертикальных стеклянных цилиндров 1, укрепленных
вместе на вращающейся раме. Высота каждого цилиндра 1 м, а диаметр 50 мм. Диаметр
цилиндра значительно больше диаметра шарика. Сверху цилиндр закрывают пробкой 2 с
отверстием для опускания шарика.
Для удобства наблюдения за движением шарика в цилиндре включают электрический
подсвет 4. Время движения шарика отсчитывают по секундомеру. В верхней части
цилиндра сделана отметка 5, ниже которой можно считать движение шарика
равномерным. Цилиндр заполняют исследуемой жидкостью.
На шарик, движущийся в вязкой жидкости, действуют три силы:
1) сила тяжести
4
G  r 3 g ;
3
2) выталкивающая сила Архимеда
4
FA  r 3  0 g ;
3
3) сила вязкого трения, которую по Стоксу выражают формулой
FC  6r :
где r — радиус шарика;
 — плотность материала шарика;
 0 — плотность жидкости;
 — коэффициент внутреннего трения (вязкости);
— скорость падающего шарика.
При увеличении скорости падающего тела сила FC возрастает, и если путь падения
шарика внутри жидкости достаточно велик, то при условии FC  G  FA движение шарика
будет равномерным со скоростью  0 . Для установившегося равномерного движения
справедливо равенство
6r 0 
4 3
4
r g  r 3  0 .
3
3
Откуда получается расчетная формула:
2 (  0 ) 2

gr
9 0
(2)
Приборы и принадлежности: 1) три вертикально установленных стеклянных цилиндра
с двумя метками вдоль образующей; 2) три испытуемых жидкости; 3) шарики из
материала
известной
плотности;
4)
штангенциркуль;
5)
секундомер;
6) термометр.
Порядок выполнения работы.
Заполнить вертикальный цилиндр исследуемой жидкостью, плотность которой
1.
известна.
2.
Записать температуру исследуемой жидкости.
3.
Штангенциркулем измерить диаметр и найти радиус r шарика. Диаметр каждого
шарика измерить три раза по разным направлениям. За «истинное» принять среднее
значение диаметра.
4.
Плотность шариков  берут из таблиц.
5.
Опустить шарик известного радиуса r в жидкость и по счетчику времени замерить
время  падения шарика между верхней и нижней меткой на цилиндре или между двумя
делениями на метрической линейке – 3 (рис.1).
Измерить расстояние h между первой и второй меткой, а затем вычислить среднюю
6.
скорость  0 для каждого измеренного промежутка времени по формуле
0 
h

.
7.
Пользуясь формулой (2), рассчитать величину  .
8.
Опыт повторить не менее 3-4 раз, используя каждый раз новые шарики.
9.
Оценить ошибку результата по отклонениям от среднего.
10. Результаты наблюдений и вычислений занести в таблицу
Радиус
Расстоя-
Время
Скорость
Плотность
Плотность
Коэффици
п\п шарика
ние, s, м
падения,
движения
жидкости,
шарика, ρ,
ент
с
шарика,
ρ0, кг\м3
кг\м3
вязкости,
№
, r, м
η,Па*с
υ, м\c
1
0,0025
0,6
3,8
2
3,6
3
3,8
ср
3,73
0,16
1260
7800

2 (7800  1260)
9,8 * 0,00025 2 =0,5 (Па*с)
9
0,16
2.3. Моделирование неньютоновской жидкости исследование её свойств
Получение неньютоновской жидкости
1 шаг
Стоит представить, что ваша кухня лаборатория:)
Итак, берем крахмал ставим рядом с блюдцем. Наливаем воду в стакан и тоже ставим
рядом с блюдцем. Вода/крахмалу=1/2,5. То есть: 1стакан воды(200мл)+2,5 стакана
крахмала(500мл)
2 шаг
Вот она самая
Перемешиваем(когда будете мешать заметите что быстро мешать потом будет трудно),
получаем белую жидкость.
3 шаг
Ну, и если не боитесь испачкаться, можете быстро потыкать в нее пальцем и она будет
относительно твердой:) Пробуйте с ней делать все что хотите, но ведет она себя точно не
как вода.
Получившуюся жидкость можно налить в руку и попробовать скатать шарик, при
воздействии на жидкость, пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из
жидкости, причем, чем быстрее и сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и
тверже будет наш шарик. Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар
тут же растечется по руке. Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия
на него, жидкость снова примет свойства жидкой фазы.
Если налить получившейся жидкости в высокий резервуар, и положить
сверху бросок дерева, в него свободно можно будет забить гвоздь. Так же можно просто
свободно без усилий погрузить палец в данный раствор, но если попробовать быстро
ткнуть в него, палец остановится именно на поверхности раствора, не проникнув внутрь, и
чем быстрее и сильнее пробовать пробить верхнюю мембрану, тем большее
сопротивление мы будем получать в замен.
"Эффект Кайе"
Введение: В 1963 году ученый химик и физик Артур Кайе проводил опыты на основе
неньютоновских жидкостей и наблюдал интересные изменения. Ученый заметил, что если
жидкость вливать с небольшой высоты в такую же жидкость или в жидкость с одинаковой
плотностью и вязкостью, то струйка не растворяется в жидкости, а как бы отскакивает от
самой себя. Связанно данное явление с тем, что струя жидкости, падающая вниз не может
пробить поверхностное натяжение верхнего слоя и отскакивает в сторону. Это явление
назвали "Эффект Кайе".
Цель: изучение образования слоя поверхностного натяжения
Реактивы: жидкое мыло (шампунь)
Посуда: глубокая, широкая чашка (кристаллизатор), бюретка, штатив, металлическая
пластина
Ход работы:
установить штатив на ровную поверхность и закрепить на ней бюретку на высоте 20-25 см
от поверхности стола
под бюретку установить кристаллизатор
налить в кристаллизатор исследуемую жидкость слоем в 3-5 см
аккуратно заполнить бюретку исследуемой жидкостью, ровным слоем, без образования
воздушных пузырьков
После того как жидкость через бюретку падает с высоты 20 см вниз в себе подобную
жидкость, мы можем наблюдать интересное явление связанное с поверхностным
натяжением. Струйка жидкости, падающая вниз, начинает отскакивать от поверхности
жидкости находящейся внизу. Объяснить это можно тем что, проникая внутрь жидкости,
находящейся в кристаллизаторе, струйка несет в себе запас кинетической энергии, а
поскольку жидкость имеет высокую плотность и вязкость, и по закону сохранения
энергии, кинетическая энергия, внесенная в уравновешенную систему, должна, куда-то
перейти, и выстреливает такой же струйкой из жидкости. Если поставить под струйку
металлическую пластину под углом примерно 450 и смочить ее тем же жидким мылом, то
струйка падающая вниз будет по наклонной траектории падать отскакивая пару раз от
пластины.
Данный опыт дает представление о кинетической энергии и уравновешенных системах,
так же данный опыт очень эффектно выглядит и запоминается надолго, что позволяет
лучше воспринять пройденный теоретический материал.