Изучение некоторых свойств жидкостиЦель: Изучение свойств жидкости
1. Введение: жидкость окружает везде и всегда. Сами люди состоятиз жидкости, вода дает нам жизнь, из воды мы вышли и к воде всегда возвращаемся.Но что же такое жидкость, с научной точки зрения жидкость это — одно из агрегатныхсостояний вещества. Основным свойством жидкости является, то, что она способна менятьсвою форму под действием механического воздействия. Жидкости бывают идеальные иреальные. Идеальные — невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е.отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью, а объёмепод воздействием внешних сил. Реальные — вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью,сопротивлением, растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е.наличием сил трения и касательных напряжений.
2. Характеристика жидкого состояния: Жидкое состояние обычно считаютпромежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму,а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Жидкости бывают идеальные и реальные. Идеальные- невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил тренияи касательных напряжений и абсолютной неизменностью, а объёме под воздействием внешнихсил. Реальные — вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением, растягивающими сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательныхнапряжений. Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими (бингамовскими).
3. Ньютоновские и Неньютоновские жидкости: Если в движущейся жидкостиеё вязкость зависит только от её природы и температуры и не зависит от градиентаскорости, то такие жидкости называют ньютоновскими. К ним относятся однородные жидкости.Когда жидкость неоднородна, например, состоит из крупных молекул, образующих сложныепространственные структуры, то при её течении вязкость зависит от градиента скорости.Такие жидкости называют неньютоновскими. Неньютоновские жидкости не поддаются законамобычных жидкостей, эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействиина них физической силой, причем не только механическим воздействие, но и даже звуковымиволнами. Если воздействовать механически на обычную жидкость то чем большее будетвоздействие на нее, тем больше будет сдвиг между плоскостями жидкости, иными словамичем сильнее воздействовать на жидкость, тем быстрее она будет течь и менять своюформу. Если воздействовать на Неньютоновскую жидкость механическими усилиями, мыполучим совершенно другой эффект, жидкость начнет принимать свойства твердых тели вести себя как твердое тело, связь между молекулами жидкости будет усиливатьсяс увеличением силы воздействия на нее, в следствии мы столкнемся с физическим затруднениемсдвинуть слои таких жидкостей. Вязкость неньютоновских жидкостей возрастает приуменьшение скорости тока жидкости
4. Свойства жидкости: Как у всего сущего на земле, у жидкости естьсвои свойства, такие как вязкость, плотность, текучесть, температура кипения и замерзанияи многие другие. Данная работа больше основана на изучении вязкости жидкости, ностоит упомянуть и о других ее свойствах
a. Вязкость — это способность оказывать сопротивление перемещению однойиз части относительно другой — то есть как внутреннее трение.
b. Плотность — физическая величина, определяемая для однородноговещества массой его единичного объёма. Плотность воды при температуре 4оСравна 1г/см3.
c. Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточновысокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и тамначинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплываютнаверх.
5. Методика определения свойств жидкости
a. определение вязкости: Капиллярные вискозиметры измеряют расход фиксированногообъема жидкости через малое отверстие при контролируемой температуре. Скорость сдвигаможно измерить примерно от нуля до 106 с-1, заменяя капиллярный диаметр и приложенноедавление. Типы капиллярных вискозиметров и их режимы работы: Стеклянный капиллярныйвискозиметр (ASTM D 445) — Жидкость проходит через отверстие устанавливаемого — диаметра под влиянием силы тяжести. Скорость сдвига — меньше чем 10 с-1. Кинематическаявязкость всех автомобильных масел измеряется капиллярными вискозиметрами. Капиллярныйвискозиметр высокого давления (ASTM D 4624 и D 5481) — Фиксированный объем жидкостивыдавливается через стеклянный капилляр диаметра под действием приложенного давлениягаза. Скорость сдвига может быть изменена до 106 с-1. Эта методика обычно используется,чтобы моделировать вязкость моторных масел в рабочих коренных подшипниках. Эта вязкостьназывается, вязкостью при высокой температуре и высоком сдвиге (HTHS) и измеряетсяпри 150°C и 106 с-1. HTHS вязкость измеряется также имитатором конического подшипника,ASTM D 4683
6. Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение. Из-засохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхностьявляется поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкаяфаза, по другую — газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникаютсилы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела — силы поверхностногонатяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремитсястянуться. Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекуламижидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить»себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться.Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму:при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуюттолько силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму- например, капли воды в невесомости. Маленькие объекты с плотностью, большей плотностижидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготенияменьше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.
Эксперимент №1
Цель: изучениенекоторых свойств неньютоновских жидкостей
Реактивы: крахмалкартофельный, вода
Посуда: глубокаячашка (кристаллизатор), металлическая палочка
Ход работы:
1. Взять крахмал и насыпать его в кристаллизатор
2. Налить небольшое количество воды и размешать с помощью металлической палочки(не использовать стеклянные палочки, из-за их хрупкости)
/>
3. Постепенно подливать воды и мешать, пока не получится однородная масса
Получившуюся жидкостьможно налить в руку и попробовать скатать шарик, при воздействии на жидкость,пока мы будем катать шарик, в руках будет твердый шар из жидкости, причем, чем быстрееи сильнее мы будем на него воздействовать, тем плотнее и тверже будет наш шарик.Как только мы разожмем руки, твердый до этого времени шар тут же растечется по руке.Связанно это будет с тем, что, после прекращения воздействия на него, жидкость сновапримет свойства жидкой фазы.
/>
/>
Если налить получившейсяжидкости в высокий резервуар, и положить
сверху бросок дерева,в него свободно можно будет забить гвоздь. Так же можно просто свободно без усилийпогрузить палец в данный раствор, но если попробовать быстро ткнуть в него, палецостановится именно на поверхности раствора, не проникнув внутрь, и чем быстрее исильнее пробовать пробить верхнюю мембрану, тем большее сопротивление мы будем получатьв замен.
/>/>/>
Применение Неньютоновскихжидкостей: в мире как ни странно очень популярны данные жидкости. В США на основеданных жидкостей, министерство обороны начало выпуск бронежилетов для военных. Данныебронежилеты по своим характеристикам даже лучше обычных, так как легче по весу ипроще в изготовлении.
Так же Неньютоновскиежидкости используются в автопроме, моторные масла синтетического производства наоснове неньютоновских жидкостей уменьшают свою вязкость в несколько десятков раз,пи повышении оборотов двигателя, позволяя при этом уменьшить трение в двигатели.
Магнитные мелкодисперсныененьютоновские жидкости, еще один представитель данного чуда природы. Состоят онииз мелкодисперсных кристаллов магнетита, взвешенных в синтетическом масле, при воздействиина такую жидкость магнитным полем, жидкость увеличивает плотность в 100 раз, новсе равно остается гибкой. Данные жидкости применяют в новейших технологиях дляамортизации некоторых элементов транспортного оборудования или механических машин
Данный эксперимент позволяетнам не только познакомится с неньютоновскими жидкостями, но и изучить некоторыесвойства данных жидкостей, а так позволяют наглядно продемонстрировать свойстважидкости, что помогает в работе со студентами, наглядные примеры помогают лучшезапомнить данную преподавателем теорию.
«Эффект Кайе»
Введение: В 1963 году ученый химик и физик Артур Кайепроводил опыты на основе неньютоновских жидкостей и наблюдал интересные изменения.Ученый заметил, что если жидкость вливать с небольшой высоты в такую же жидкостьили в жидкость с одинаковой плотностью и вязкостью, то струйка не растворяется вжидкости, а как бы отскакивает от самой себя. Связанно данное явление с тем, чтоструя жидкости, падающая вниз не может пробить поверхностное натяжение верхнегослоя и отскакивает в сторону. Это явление назвали «Эффект Кайе».
Цель: изучение образования слоя поверхностного натяжения
Реактивы: жидкое мыло (шампунь)
Посуда: глубокая, широкая чашка (кристаллизатор), бюретка,штатив, металлическая пластина
Ход работы:
1. установить штатив на ровную поверхность и закрепить на ней бюретку навысоте 20-25 см от поверхности стола
2. под бюретку установить кристаллизатор
3. налить в кристаллизатор исследуемую жидкость слоем в 3-5 см
4. аккуратно заполнить бюретку исследуемой жидкостью, ровным слоем, безобразования воздушных пузырьков
После того как жидкость через бюретку падает с высоты 20 см вниз в себе подобную жидкость, мы можем наблюдать интересное явление связанное с поверхностным натяжением.Струйка жидкости, падающая вниз, начинает отскакивать от поверхности жидкости находящейсявнизу. Объяснить это можно тем что, проникая внутрь жидкости, находящейся в кристаллизаторе,струйка несет в себе запас кинетической энергии, а поскольку жидкость имеет высокуюплотность и вязкость, и по закону сохранения энергии, кинетическая энергия, внесеннаяв уравновешенную систему, должна, куда-то перейти, и выстреливает такой же струйкойиз жидкости. Если поставить под струйку металлическую пластину под углом примерно450и смочить ее тем же жидким мылом, то струйка падающая вниз будетпо наклонной траектории падать отскакивая пару раз от пластины.
Данный опыт дает представление о кинетической энергии и уравновешенныхсистемах, так же данный опыт очень эффектно выглядит и запоминается надолго, чтопозволяет лучше воспринять пройденный теоретический материал.