Експериментално определяне на вискозитета на течност

Вискозиметрия, клон на физиката, посветен на изследването на методите за измерване на вискозитет. Съществуващото разнообразие от методи и конструкции на инструменти за измерване на вискозитет -вискозиметри- се дължи както на широк диапазон от стойности на вискозитет, така и на необходимостта от измерване на вискозитет при ниски или високи температури и налягания (например втечнени газове, разтопени метали, водна пара при високо налягане и др.).

Трите най-разпространени метода за измерване на вискозитета на газове и течности сакапилярни,падаща топкаикоаксиални цилиндри(ротационни). Те се основават съответно на: закона на Поазей, закона на Стокс и закона за движение на флуида между коаксиални цилиндри. Вискозитетът се определя и от затихването на периодичните трептения на плоча, поставена в изследваната среда.

1.Капилярниятметод се основава на закона на Поазей за вискозна течност, който описва моделите на движение на течността в капиляр.

Фигура 3. Диаграма на капилярен вискозиметър

В капилярен вискозиметър (фиг. 3) течността от един съд под въздействието на разликата в наляганетоpтече през капиляр със сечение2Rи дължинаLв друг съд. От фигурата може да се види, че съдовете имат многократно по-голямо напречно сечение от капиляра на вискозиметъра и, съответно, скоростта на флуида в двата съда еNпъти по-малка, отколкото в капиляра на вискозиметъра. По този начин не цялото налягане ще отиде за преодоляване на вискозното съпротивление на течността. Капилярните вискозиметри са прости по дизайн, лесни за използване и надеждни, тъй като нямат въртящи се и триещи се части.

Методът на капилярна вискозиметрия може напълно да се припише на високопрецизния метод на вискозиметрия порадифактът, че относителната грешка на измерване е части от процента, в зависимост от избора на материали за вискозиметър и точността на синхронизирането, както и други параметри, включени в метода на капилярния поток.

2.

Методът на падащата топка или методът на Стокс(въз основа на закона на Стокс) - този метод за определяне на вискозитета се основава на измерване на скоростта на малки сферични тела, бавно движещи се в течност.

Три сили действат върху топка, падаща вертикално надолу в течност: гравитация (Ft), сила на Архимед (FA) и сила на съпротивление (F).

(1)

Фигура 4. . Схема на метода на Стокс

Знаем, че , , a е емпирично установено от Джордж Стокс. Къдетоmе масата, е ускорението на свободното падане, е плътността на течността,Vt е обемът на тялото (топката).

Знаейки, че обемът на топката може да се запише като , където r е радиусът на топката. И масата на топката, където е плътността на топката, получаваме

(2)

Изразяваме от уравнение (2) коефициента на вискозитет η:

(3)

По този начин, чрез измерване на скоростта на равномерно движение на топката, е възможно да се определи вискозитета на течността.

Въз основа на метода са създадени много модели високотемпературни вискозиметри, в които се измерва вискозитетът на разтопени стъкла и соли. Невъзможно е да се определи вискозитетът на ненютонови течности, по-специално вискозитетът на кръвта, поради зависимостта от градиента на скоростта, но този метод често се използва за измерване на вискозитета на кръвната плазма чрез скоростта на утаяване на еритроцитите в нея.

3.Ротационниятметод на вискозиметрия се състои в това, че изпитваната течност се поставя в малка междина между две тела, необходима за изместване на изпитваната среда. Едно от телата остава неподвижно през цялото преживяване, другото, нареченороторротационният вискозиметър се върти с постоянна скорост. Очевидно е, че въртеливото движение на ротора на вискозиметъра се предава на друга повърхност (чрез движението на вискозна среда; предполага се липсата на приплъзване на средата в близост до повърхностите на тялото, като по този начин се разглежда). Оттук следва тезата: моментът на въртене на ротора на ротационен вискозиметър е мярка за вискозитета.

С помощта на ротационни вискозиметри се определя вискозитетът на смазочни масла, разтопени силикати и метали, лакове и лепила с висок вискозитет, глинести разтвори и др.

4. Клиничният метод за определяне на вискозитета на кръвта -методът на капилярната тръбасе използва за определяне на η на невискозни течности. Методът се основава на формулата на Поазей. Капилярният вискозиметър се състои от градуирана бюрета и вертикално разположена стъклена капилярка, прикрепена към нея. Бюретата се напълва с изпитваната течност, която под действието на гравитацията бавно изтича от долния край на капиляра. Въпреки това, с намаляване на нивото на течността в бюретата и съответно с намаляване на разликата в налягането в краищата на капиляра, скоростта на изтичане на течност постепенно намалява. Следователно директното използване на формулата на Poiseuille за определяне на вискозитета на течността не е възможно: необходимо е да се вземе предвид промяната в разликата в налягането в краищата на капиляра в процеса на понижаване на нивото на течността в бюретата. За да се елиминира градиентът на налягането, се използва метод за сравнение, т.е. коефициентът на вискозитет на изследваната течност се сравнява с коефициента на вискозитет на референтната (например дестилирана вода). За да направите това, същите обеми от тестовата и референтната течност се пропускат през капиляра.

---