Измерение вязкости жидкости и энергии активации камертонно
реклама
Введение Как известно, если с помощью внешних сил вызвать перемещение одной части жидкости относительно другой, то возникнут силы, стремящиеся затормозить это движение. Это явление называется вязкостью. Динамическая вязкость жидкости в простейшем случае может быть выражена соотношением Френкеля 0 kT Ae , где A - некоторая константа, 0 - энергия активации, T - абсолютная температура жидкости. Энергией активации данной жидкости называется минимальная энергия, необходимая молекуле для преодоления потенциального барьера сил взаимодействия с ближайшим окружением и перескока в новое положение равновесия. Как видно из соотношения Френкеля, с ростом температуры вязкость жидкостей уменьшается, что обусловлено уменьшением времени пребывания молекулы в положении равновесия, и, как следствие, уменьшения вязкости при возрастании энергии тепловых колебаний. Вязкость определяется с помощью специальных приборов - вискозиметров (от латинского ‘viscous’ – вязкость), которые в настоящее время широко применяются в различных областях науки, техники и промышленности. По принципу работы существующие модели вискозиметров делят на четыре основные группы: капиллярные, ротационные, с падающим шариком и вибрационные. В данной работе предлагается методика измерения вязкости с помощью тонких иголокзондов, погружаемых в исследуемую жидкость, являющаяся новой разновидностью вибрационного метода. Отличительной особенностью данной методики является невозмущающий характер измерений [1]. Цели работы Опробовать методику на тестовых жидкостях известной вязкости (растворы глицерина) Получить температурную зависимость вязкости глицерина Измерить энергию активации глицерина Актуальность В различных отраслях науки и техники (нефтехимическая, лакокрасочная промышленности и др.), возникает потребность в измерении временных и температурных зависимостей вязкости жидкостей. Предложенный метод определения вязкости позволяет проводить измерения в режиме реального времени, а также работать в широком диапазоне величин (от 0.1 мПас) [2]. Простота конструкции и доступность ее компонентов делает данную методику значительно дешевле, чем промышленно выпускаемые приборы. С помощью предлагаемой модели можно проводить исследования, имеющие практическое значение, в том числе и медицинские: исследование динамики свертываемости крови [3]. Подобный прибор может использоваться в учебной практике при проведении лабораторного эксперимента по темам: «Колебания», «Звук» и «Вязкость жидкостей». Методика измерений Физическая идея, лежащая в основе камертонного метода измерения вязкости жидкостей, заключается в определении затухания, вносимого в колебания высокодобротного камертона силой вязкого трения, которая действует на прикрепленный к нему зонд, опущенный в исследуемую жидкость [1]. Основная часть установки (рис. 1) – высокодобротный лабораторный камертон 1, закреплённый с помощью стержня 2. В одну из ножек камертона ввинчен изогнутый алюминиевый стержень 3, на конце которого находится шарообразный зонд 4 из пенопласта (используется материал с низкой теплопроводностью, чтобы исключить изменение температуры жидкости за счет отвода тепла через зонд). Зонд погружается в кювету 5 с исследуемой жидкостью, температуру которой можно изменять при помощи нагревательного элемента. Регистрация температуры производится при помощи термопары, помещённой в кювету. Импульс с выхода звуковой карты компьютера 6 усиливается и подается на соленоид 7. Колебания камертона возбуждаются втягивающимся в соленоид бойком 8. Запись звуковых колебаний осуществляется с помощью микрофона 9, подключённого к компьютеру. Результаты В ходе работы исследовалась зависимость разности декрементов затухания от глубины погружения зондов. Экспериментально полученная зависимость совпадает с теоретическими предсказаниями. Также определена энергия активации глицерина. Получен график зависимости логарифма вязкости глицерина от обратной температуры, приведенный на рисунке 2 (Значение вязкости определено в относительных единицах). Погрешность определения энергии активации глицерина составила порядка 0.2%, а само значение отличалось от рассчитанного по справочным значениям вязкости глицерина в данном температурном диапазоне (70 ÷ 30 градусов) [4], на 15%. Значение, полученное нами ((7.247 ± 0.017)·10-20 Дж), было ниже справочного значения ((8.341 ± 0.087)·10–20 Дж), что, вероятно, вызвано примесью воды в глицерине (нагревание глицерина происходило в водяной бане). В дальнейшем планируется провести ряд аналогичных экспериментов на чистом глицерине (нагревание будет осуществляться при помощи нагревательного элемента, помещаемого внутрь кюветы), а также исследовать зависимость определяемого значения вязкости от радиуса зонда и параметров камертона. Предложенная методика может быть рекомендована к постановке в качестве задачи учебного практикума по молекулярной физике. Благодарности Работа выполнена на Физическом отделении Всероссийской Летней Экологической Школы (ФИЗЛЭШ 2003, http://fizlesh.msk.ru). Выражаем благодарность Миронову Михаилу Арсеньевичу за консультации и первоначальную идею эксперимента. Литература [1] И.Н. Агафонов, А.Г. Жданов, И.П. Григал, Камертонно-зондовый метод измерения временных зависимостей вязкости жидкостей, Региональная школа конференция, Тезисы Докладов 30-31 октября 2003 г., Уфа, 2003, с 93-94 [2] А. Г. Жданов, А. П. Пятаков, Измерение динамической вязкости жидкости по затуханию колебаний камертона, Физическое образование в вузах, т.8, n. 4, с. 117-126 (2002) [3] И. Н. Агафонов, А. Г. Жданов, Исследование динамики свёртывания крови, Международный молодёжный научный конгресс «Молодёжь Наука Общество», Сборник Материалов, Москва 2003, с. 24 [4] «Физические величины», справочник под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова, Москва, Энергоатомиздат, 1991 год.
