CN201126423Y - 一种测量液体黏度的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种测量液体黏度的实验装置由供水箱、供压强差水池、水阀、水平直圆管、铁架台、直角尺构成，自动阀门在流动的液体中，各流体层的流速不同，则在相互接触的两个流体层之间的接触面上，形成一对阻碍两流体层相对运动的等值而反向的摩擦力，流速较慢的流体层给相邻流速较快的流体层一个使之减速的力，而该力的反作用力又给流速较慢的流体层一个使之加速的力，这一对摩擦力称内摩擦力或粘滞阻力，流体的这种性质称为粘滞性。不同流体具有不同的粘度，同种流体在不同的温度下其粘度的变化也很大。

Description

一种测量液体黏度的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，具体地说是涉及一种大学实验教学测量兼验证液体黏度的实验装置。

背景技术

1841年法国生理学家泊肃叶在研究血液在动脉和静脉中的流动时得到了一重要公式 $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\πr}}^4\mathrm{\Δp}}{\mathrm{g\ηL}},$ 流体流过管道时会产生压强降。这是克服流体黏性力的必须的来自外界的推动力。压强降不仅与管道长度和管径有关，也与流体的体积流速dv/dt有关，且流量越大，压强降越也越大。目前，用于测量流体黏度的方法主要是落球法、落针法。其大体上是借用一物体(一般是球形)在雷诺数Re＜1的液体中下落，测量其下落的速度，再根据斯托克定律间接求出黏度。雷诺是英国力学家、物理学家、工程师雷诺(Reynolds，1842-1912)在研究平滑管道中流层和湍流之间的过渡时引入的。雷诺数 $\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρvr}}{\mathrm{\η}},$ 它是量纲为1的因子，在流体学中有很重要的地位。雷诺数越小表示黏性力影响越显著，雷诺数越大意味着惯性力影响越显著。虽然该装置与本实用新型装置都是通过间接求得黏度，但该实验装置要求流体雷诺数小于1，并且操作也较复杂。而借用泊肃叶定律来测流体黏度的装置还没有相关信息。对于黏度的测定在化学、医学、水利工程、材料科学、机械工业和国防建设中有着重要意义。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单的测量液体黏度的实验装置。

由于测定流体的黏度在化学、医学等领域中有着重要意义，且涉及到很多物理知识，如运输现象与分子动理学，运动学等，能充分体现学科和专业特点，符合物理学科的理论发展。再就为了使得实验中测量的简单化，特设计了这种实验装置。

装置内容

一种测量液体黏度的实验装置，其特征在于该装置是由供水箱(1)、自动阀门(2)、供压强差水池(3)、水阀(4)、水平直圆管(5)、直角尺(6)、铁架台(7)所构成，其中个供水箱(1)的一侧下部通过水平管与自动阀门(2)相连接，水平管用铁夹固定在铁架台(7)上，供压强差水池(3)一端底部用橡皮管与水阀(4)的一端相连，水阀(4)的另一端与水平直圆管(5)相连接，水平直圆管(5)镶嵌在水平木板上，其末端放置在直角尺(6)上。

上述的实验装置，其特征在于所述的自动阀门(2)的一端通过链杆连接一个橡皮球，此球置于供压强差水池(3)中，通过水池中水量自动控制阀的开启与关闭。

上述的实验装置，其特征在于所述的水平直圆管(5)有三个不同规格即A.r＝0.003m，L＝0.80m；B.r＝0.003m，L＝1.00m；C.r＝0.004m，L＝1.00m，其中r为直圆管内口径，L为直圆管长度。

本实用新型装置主要涉及运输现象与分子动力学，在此之上进一步对层流和泊肃叶定律作了深入分析。实验内容是以泊肃叶定律一重要公式 $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\πr}}^4\mathrm{\Δp}}{\mathrm{g\ηL}}$ (r为流液管的内口径；Δp是推动水流动的压力；η是液体的黏度系数；L为流管长度；dv/dt是流体流量梯度)作为理论指导，通过对其变形得到另一公式 $\mathrm{\η}=\frac{r^2\mathrm{\Δp}}{8\mathrm{Lv}},$ 从而间接求出液体的黏度。由泊肃叶公式 $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\πr}}^4\mathrm{\Δp}}{\mathrm{g\ηL}}$ 知，不妨设dt时间内液体流动了dx距离，则在dt时间内通过一横截面的液体体积dv＝πr²dx，因此 $\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\πr}}^2\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}},$ 又由于dx/dt为液体流动速率，当流体稳定后dx/dt也为一稳定值v。从而我们可以得到公式 $\mathrm{\η}=\frac{r^2\mathrm{\Δp}}{8\mathrm{Lv}}\left[1\right].$ 由于在一次试验中r、L、Δp(Δp＝ρgΔh)均为一固定值，所以只要测出v即可得到该液体的黏度η。此装置可以观察圆管长度及半径对流速的影响，还可以直接验证流阻与管径的四次方成反比，同时可以使学生对泊肃叶定律有深入的理解。本液体黏度测量装置包括三大块：其一是提供压强差的装置，包括供水水箱、自动阀以及“L”型竖直管，主要是借助液体自身重力来提供压强差。其二为泊肃叶定律适用平台装置，即“L”型水平圆直管，它是镶在水平木板中，具有三种型号(A.r＝0.003m，L＝0.8m；B.r＝0.003m，L＝1.00m；C.r＝0.003m，L＝1.00m)，不同型号是用于验证实验而设计的。最后，是流速测量装置，即运动学中测量平抛运动初速度的装置。

此实验设计的创新点是首次用液体自身重力来提供抵消黏性力；再就是公式的变形，达到了以简单的方法就可求出液体黏度的目的；最后就是能将各部分装置有机地结合在一起，让整个实验操作简单化。

有益效果

1，提供一种简单测量液体黏度的装置；

2，可用于验证压强降与管道长度和管径的关系；

3，可以使同学们深入了解液体黏度内容及泊肃叶定律。

附图说明

下面结合附图和实施例对本装置进一步说明。

图1是测量液体黏度的实验装置的结构示意图。

附图标记1：供水水箱

        2：自动阀门

        3：供压强差水池

        4：水阀

        5：水平直圆管(镶在水平木板里)

        6：直角尺

        7：铁架台

        8：稳定水柱

具体实施方式

图1是本实验装置的示意图。供水水箱(1)是由透明塑料做成的，容积为π×(1dm)²×(1dm)的供水装置，与之连接的水平管内径为0.5cm。自动阀门(2)是保证压强差恒定的必要装置，高度由Δh决定，利用水位差产生对水平水管中水的压力，使水保持流动。压强差Δp＝水的密度×重力加速度×水箱底部与水平桌面的垂直距离(Δp＝ρgΔh)。管的内径为0.30cm。供压强差水池(3)与水平直圆管(5)通过一橡皮管连接，水阀(4)通过控制橡皮管的状态来实现对整个装置的控制。其中水平直圆管(5)有三根不同规格玻璃圆管可替换。当水阀(4)打开后会在水平直圆管(5)的末端形成一段稳定水柱(8)，通过一直角尺(6)测其下落高度h和该高度下的水平扬程s。再根据下落高度h和该高度下的水平扬程s，套用平抛运用公式 $V=S\sqrt{\frac{g}{2h}},$ 此处v为水流出的速度，g为重力加速度)，测完后关闭水阀(4)，通过换水平直圆管(5)实现数据的多样性，以便进行各种验算。再根据各个数据，以及泊肃叶定律，测出液体黏度。

具体实验中，我们以水和花生油作为测量物质。其中，两种实验器材和步骤相同。在实施例中，水平直管取的长度L＝1.00m，r＝0.003m，Δh＝0.40m。

测量物质为水时，温度为24.2℃，测得水流速度是3.22m/s，带入公式[1]中求得水的黏度是1.370mPa·s；

测量物质为花生油时，温度为24.1℃，测得花生油流速为0.08m/s，带入公式[1]求得花生油的黏度是72.126mPa·s。

Claims (3)

1、一种测量液体黏度的实验装置，其特征在于该装置是由供水箱(1)、自动阀门(2)、供压强差水池(3)、水阀(4)、水平直圆管(5)、直角尺(6)、铁架台(7)所构成，其中个供水箱(1)的一侧下部通过水平管与自动阀门(2)相连接，水平管用铁夹固定在铁架台(7)上，供压强差水池(3)一端底部用橡皮管与水阀(4)的一端相连，水阀(4)的另一端与水平直圆管(5)相连接，水平直圆管(5)镶嵌在水平木板上，其末端放置在直角尺(6)上。

2、根据权利书要求1所述的实验装置，其特征在于所述的自动阀门(2)的一端通过链杆连接一个橡皮球，此球置于供压强差水池(3)中，通过水池中水量自动控制阀的开启与关闭。

3、根据权利书要求1所述的实验装置，其特征在于所述的水平直圆管(5)有三个不同规格即A、r＝0.003m，L＝0.8m，B、r＝0.003m，L＝1.00m，C、r＝0.004m，L＝1.00m，其中r为直圆管内口径，L为直圆管长度。

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