Т.С. Китаева, Р.В. Нехаенко
«Определение коэффициента динамической вязкости воздуха»
Методические указания к выполнению лабораторной работы № 15
по курсу механики, молекулярной физики и термодинамики.
Калуга 2007 г.
Цель работы заключается в определении коэффициента динамической вязкости воздуха методом истечения воздуха через капилляр.
Теоретическая часть.
Термодинамическая система представляет собой совокупность макроскопических тел. Её состояние задаётся термодинамическими параметрами – параметрами состояния, в качестве которых обычно выбирают температуру, давление и удельный объём.
Термодинамическая система находится в равновесии, если её состояние с течением времени не меняется.
В термодинамических неравновесных системах возникают особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространственный перенос энергии, массы и импульса.
К явлениям переноса относятся теплопроводность (обусловлена переносом энергии), диффузия (обусловлена переносом массы) и внутреннее трение (обусловлено переносом импульса).
|
|
Механизм возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа, движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями. В результате импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается; движущегося медленнее - увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.
Сила внутреннего трения между двумя слоями газа подчиняется закону Ньютона:
, (1)
где - коэффициент динамической вязкости газа (динамическая вязкость), ;
- модуль градиента скорости; показывает быстроту изменения скорости в направлении оси , перпендикулярном движению слоёв;
- площадь, на которую действует сила .
Взаимодействие двух слоёв согласно второму закону Ньютона можно рассматривать как процесс, при котором от одного слоя к другому в единицу времени передаётся импульс, по модулю равный действующей силе. Тогда выражение (1) можно переписать в виде:
, (2)
где - плотность потока импульса – величина, определяемая полным импульсом, переносимым в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси в положительном направлении данной оси. Знак «минус» показывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости.
Таким образом, динамическая вязкость численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице.
Можно показать, что:
, (3)
где - плотность газа;
- средняя арифметическая скорость теплового движения молекул;
|
|
- средняя длина свободного пробега молекул.
Согласно молекулярно-кинетической теории газов:
, (4)
где - абсолютная температура газа;
- молярная масса газа;
- универсальная газовая постоянная.
Откуда следует, что с увеличением температуры увеличивается средняя арифметическая скорость теплового движения молекул, и динамическая вязкость в газах возрастает.
Наряду с коэффициентом динамической вязкости часто используется коэффициент кинематической вязкости :
, (5)
где - плотность газа.
Коэффициент кинематической вязкости в СИ измеряется в метрах квадратных на секунду, .