Измерение вязкости жидкости и энергии активации камертонно

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 мПас) [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.