МОУ Лицей № 43

(естественно-технический)

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ВОДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Елизарова Елена

10Б класс

Саранск

2006

Вязкость жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление передвижению ее частиц и характеризующее степень ее текучести и подвижности. Как видно из определения, вязкость является свойством движущейся жидкости и в состоянии покоя не обнаруживается. Вязкость обуславливает появление сил сопротивления при движении жидкости. Эти силы называются силами внутреннего трения, или силами вязкости. Наличие сил внутреннего трения движущейся жидкости впервые установил Ньютон; впоследствии русский ученый В. Н. Петров в 1888 г. привел математическое выражение для силы трения. С точки зрения молекулярной теории вязкость объясняется как движением молекул, так и наличием молекулярных сил. В жидкостях, где расстояние между отдельными частицами много меньше, чем в газах, первостепенную роль играет межмолекулярное взаимодействие.

Вязкость имеет большое значение в различных областях технологии. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов (производство резины, стекла, доменный или мартеновский процесс). Вязкость имеет большое значение в различных природных, особенно биологических процессах, определяя скорость течения жидкостей и сопротивление, оказываемое ими движению частиц. Изменение вязкости сказывается на скорости химических реакций, протекающих в биологических системах, на ряде физико-химических явлений, связанных с жизнедеятельностью клетки.

Динамическая вязкость жидкости η определяется по методу Стокса из наблюдений за движением шарика в воде. На шарик, падающий в жидкости, действует сила тяжести F_т,  сила Архимеда F_а и сила внутреннего трения F_сопр.  Вследствие этого при некоторой скорости движения шарика его сила тяжести полностью уравновешивается силой вязкости и силой Архимеда. С этого момента движение шарика будет равномерным. Зависимость между силами, действующими на шарик при его установившемся равномерном движении, выражается равенством F_т =  F_а + F_сопр., откуда F_сопр = F_т  - F_а, но F_т  =  mg = 4πr³ρg/3, где m – масса шарика, r – его радиус, ρ – плотность шарика. F_а  =  m_жg = 4πr³ρ_жg/3, где m_ж – масса жидкости в объеме шарика, ρ_ж – плотность жидкости. Английский ученый Стокс показал, что сила вязкости, возникающая при движении шарика в жидкости (F_сопр), определяется формулой F_сопр = 6πrηυ, где υ – скорость шарика, η – значение вязкости.

 =  -

 =

η = , а так как υ = , то

η =

      Я провела опыт по наблюдению за движением шарика в воде. Для этого взяла большой сосуд (ведро), наполнила его водопроводной водой и при различной температуре воды бросала в воду шарик, радиус которого намного меньше радиуса сосуда. Засекала каждый раз время падения шарика. Все измерения и расчеты занесла в таблицы. Все опыты проводились при ρ = 4000, ρ_ж = 1000, g = 9,81, r = 0,007м, S = 0,22м, где S – высота сосуда.

Таблица 1. Результаты измерения вязкости при Т = 10 ^оС.

η _ср =  = 1,29,

Δη = ,  

 ,  

, где  - погрешность измерительного прибора, а  - равна половине цены деления прибора. Δη_сист  будет одинакова для всех опытов, так как использовались одни и те же измерительные приборы.

σ =  ,

σ =   = 0,05

 0,05,

Δη_сист = 0,05 + 0,01 = 0,015,

=0,052,

,

Сравнила экспериментальное значение коэффициента вязкости с табличным  значением  при такой же температуре.

Δ = ,

,

Таблица 2. Результаты измерения вязкости при Т = 30 ^оС.

η _ср =  = 0,78,    

σ =   = 0,04,

  0,04,

=0,042

Сравнила экспериментальное значение коэффициента вязкости с табличным значением  при такой же температуре.

Таблица 3. Результаты измерения вязкости при Т = 50 ^оС.

η _ср =  = 0,54,     

σ =   = 0,02,

  0,02,

=0,025,

 ,

  Сравнила экспериментальное значение коэффициента вязкости с табличным значением  при такой же температуре.

Сравнение экспериментального и табличного коэффициентов вязкости показало, что коэффициенты равны с учетом погрешностей, возникающих из-за того, что

1) В различных опытах реакция человека на секундомер неодинакова.

2) Не совсем правильная сферическая форма шарика.

3) Состав воды неоднороден из-за различных примесей, содержащихся в водопроводной воде.

4) Метод измерения основан на формуле Стокса, которая справедлива при условии, что происходит ламинарное обтекание шарика безграничной жидкостью. В моём же опыте это условие не выполняется, так как шарик движется в сосуде ограниченных размеров.

На основе полученных в результате работы значений η_ср и табличных значений построила график зависимости коэффициента вязкости воды от температуры.

Таблица 4. Результаты измерений вязкости при различных температурах.

Из результатов опытов также видно, что с повышением температуры воды её вязкость уменьшается. Взаимодействие между молекулами жидкости вызвано в основном водородными связями (вода, аммиак, фтороводород) и силами Ван-дер-Ваальса. Силы Ван-дер-Ваальса – это силы притяжения между молекулами вещества в газообразном, жидком и кристаллическом состояниях, они могут возникать между полярными, неполярными, а также полярными и неполярными молекулами. Силы взаимодействия между молекулами жидкости значительно больше по сравнению с силами, действующими в газах. Силы взаимодействия между молекулами жидкости зависят от ее химической природы. Чем более полярны молекулы жидкости, тем сильнее взаимодействие между молекулами и тем ближе по строению и поведению жидкость к кристаллу. Межмолекулярные взаимодействия проявляются и между неполярными молекулами. Если бы между молекулами воды действовали только Вандер-Ваальсовые силы взаимного притяжения, вода замерзала бы при Т = - 90 ^оС, а закипала бы при Т = + 80 ^оС; при действии водородных связей, создающих ассоциации молекул Т замерзания 0 ^оС и кипения Т = + 100 ^оС.  

Вывод: в ходе работы было подтверждено, что с увеличением температуры воды её вязкость уменьшается. При повышении температуры водородные связи между молекулами воды ослабевают, значит уменьшается взаимодействие между молекулами воды,а следовательно и сила внутреннего трения, но главная причина этого явления заключается в другом. Вязкость воды обусловлена межмолекулярным взаимодействием её слоёв, в результате которого из слоя в слой молекулами переносится импульс  mυ, где υ – скорость движения молекул, m – масса молекул воды. С ростом температуры межмолекулярные взаимодействия ослабляются из-за теплового расширения жидкости и увеличения межмолекулярных расстояний, а также из-за увеличения подвижности молекул воды; вследствие этого  вязкость уменьшается. Межмолекулярное взаимодействие ограничивает 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. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры. [5]

Литература

1)                  Китайгородский А.И. Введение в физику. – М.: Наука, 1973.

2)                  Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. – Л.: Наука, 1975.

3)                  Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1982.

4)                  Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. 1. – М.: Наука, 1979.

5)                  Cultinfo.ru.