Определение вязкости жидкостей

Приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. Вязкость жидкостей определяется с помощью различных методов.

Метод падающего шарика. При высокой вязкости жидкости вязкость можно определить по скорости свободного падения в жидкости шарика известного объема и массы. Коэффициент вязкости вычисляют по уравнению Стокса:

h = 2r²(r-r₀)g / (9U), (10.5)

где r – радиус шарика; r и r₀ – плотность материала шарика и жидкости соответственно; u – скорость падения шарика; g – ускорение свободного падения.

Из уравнения (10.5) следует, что скорость падения шарика обратно пропорциональна вязкости жидкости.

Метод истечения жидкости через капилляр. Широко распространены капиллярные вискозиметры, в которых вязкость определяется по времени вытекания определенного объема жидкости через капилляр. Для расчета вязкости применяют формулу Пуазейля:

h = pr⁴rt / (8lV), (10.6)

где V – обьем жидкости, вытекшей за время t; остальные обозначения те же, что и в формуле (10.3).

На практике обычно определяют относительную вязкость, т. е. отношение вязкости исследуемой жидкости h к вязкости какой-либо другой жидкости h₀, которая известна. Тогда для одного и того же вискозиметра из уравнения Пуазейля можно получить отношение:

h / h₀ = Рt / Р₀t₀. (10.7)

Если обе жидкости протекают через капилляр под давлением собственного веса, то отношение Р/Р₀ можно заменить отношением их плотности r / r₀.

h / h₀ = rt / r₀t₀ (10.8)

откуда h = h₀rt / r₀t

Определение вязкости с помощью ротационных вискозиметров. Первая конструкция ротационного вискозиметра была предложена Ф.Н. Шведовым. Основной частью этого прибора являются два коаксиальных (соосных) цилиндра, в кольцевой промежуток между которыми помещают исследуемую жидкость. Наружный цилиндр с помощью электромотора вращается с постоянной скоростью, вместе с ним вращается и жидкость, передавая вращение внутреннему цилиндру. Последний подвешен на упругой нити и закручивается на некоторый угол до тех пор, пока момент силы кручения не станет равным моменту силы трения. Чем больше вязкость жидкости, тем больше угол поворота внутреннего цилиндра.

В ротационном вискозиметре М. П. Волоровича исследуемую жидкость заливают в кольцевой зазор между цилиндрами. Один из цилиндров (обычно внутренний) приводят во вращение, например, с помощью блока, груза и шнура. Вязкость находят, определяя число оборотов вращающегося цилиндра в единицу времени. Чем больше вязкость жидкости, тем медленнее цилиндр вращается.

Вязкость жидкости рассчитывают по формуле

h = К(m - m₀) / n, (10.9)

где m – масса груза, вращающего цилиндр; m₀ – масса груза, необходимая для преодоления трения в подшипниках (1–2 г); n – частота вращения внутреннего цилиндра; К – постоянная, зависящая от радиуса внутреннего и внешнего цилиндров, шкива и высоты части вращающегося цилиндра, погружаемой в жидкость.

На практике часто применяют не абсолютные, а относительные методы определения вязкости, что позволяет исключить из расчетов константы приборов. Измеряют время падения шарика, время истечения или другие параметры для стандартной жидкости, а затем для исследуемой жидкости. Поскольку значения вязкости пропорциональны измеренным величинам, то, зная вязкость стандартной жидкости, можно вычислить вязкость исследуемой. Так как вязкость сильно зависит от температуры, ее измеряют при постоянной температуре, термостатируя прибор.

Все жидкости, подчиняющиеся законам Ньютона и Пуазейля, называются нормальными или ньютоновскими; системы же, способные течь, но не подчиняющиеся уравнению Ньютона, называют аномальными.