实验五液体黏度的测定

各种实际液体都具有不同程度的黏滞性。当液体流动时，平行于流动方向的各层流体之间，其速度都不相同，即各层间存在着滑动，于是在层与层之间就有摩擦力产生。这一摩擦力称为“黏滞力”。它的方向在接触面内，与流动方向相反，其大小与接触面面积的大小及速度梯度成正比，比例系数称为“黏度”（又称黏滞系数，viscosity）。它表征液体黏滞性的强弱，液体黏度与温度有很大关系，测量时必须给出其对应的温度。在生产上和科学技术上，凡是涉及流体的场合，譬如飞行器的飞行、液体的管道输送、机械的润滑以及金属的熔铸、焊接等，无不需要考虑黏度问题。

测量液体黏度的方法很多，通常有：①管流法。让待测液体以一定的流量流过已知管径的管道，再测出在一定长度的管道上的压降，算出黏度。②落球法。用已知直径的小球从液体中落下，通过下落速度的测量，算出黏度。③旋转法。将待测液体放入两个不同直径的同心圆筒中间，一圆筒固定，另一圆筒以已知角速度转动，通过所需力矩的测量，算出黏度。④泄流法。已知容积的液体，由已知管径的短管中自由流出，通过测量全部液体流出的时间，算出黏度。目前我国和世界上大多数国家，在工业上所普遍采用黏度计，即基于这一原理。本实验基于教学的考虑，所采用的是落球法。

一、实验目的

1、了解有关液体黏滞性的知识，学习用落球法测定液体的黏度；

2、掌握读数显微镜的使用方法。

二、实验原理

将液体放在两玻璃板之间，下板固定，而对上板施以一水平方向的恒力，使之以速度v匀速移动。黏着在上板的一层液体以速度v移动；黏着于下板的一层液体则静止不动。液体自上而下，由于层与层之间存在摩擦力的作用，速度快的带动速度慢的，因此各层分别以由大到小的不同速度流动。它们的速度与它们与下板的距离成正比，越接近上板速度越大。这种液体流层间的摩擦力称为“黏滞力”（viscosity force）。设两板间的距离为x，板的面积为S。因为没有加速度，板间液体的黏滞力等于外作用力，设为f。由实验可知，黏滞力f与面积S及速度v成正比，而与距离x成反比，即

                           （2-5-1）

式中，比例系数η即为“黏度”。η的单位是“帕斯卡·秒”（Pa·s）或kg·m^-1·s^-1。某些液体黏度的参考值见附录Ⅰ。

当一个小球在液体中缓慢下落时，它受到三个力的作用：重力、浮力和黏滞力。如果小球的运动满足下列条件：①在液体中下落时速度很小；②球体积很小；③液体在各个方向上都是无限宽广的，斯托克斯（S.G..Stokes）指出，这时的黏滞力为

                          （2-5-2）

式中η为黏度；v为小球下落速度；r为小球半径。此式即著名的“斯托克斯公式”。小球下落时，三个力都在竖直方向，重力向下，浮力和黏滞力向上。由式（2-5-2）知，黏滞力是随小球下落速度的增加而增加的。显然，如小球从液面下落，开始是加速运动，但当速度达到一定大小时，三个力的合力为零，小球则开始匀速下落。设这时速度为v，v称为“终极速度”。此时

                   （2-5-3）

式中，ρ为小球密度；ρ₀是液体密度。由此得

                     （2-5-4）

图2-5-1 落球法测定液体黏度所用的容器

我们在实验操作时，并不能完全满足式（2-5-2）所要求的条件。首先液体不是无限宽广的，是放在如图2-5-1所示的容器中的，因此就不能完全不考虑液体边界的影响。设圆筒的直径为D，液体的高度为H，小球从圆筒的中心线下落，那么（2-5-4）式应修正为

式中，d为小球直径。由于高度H的影响实际上很小，可以略掉相应的修正项，又 ，L为圆筒上二标线间的距离，t为小球通过距离L所用时间，则上式变为

                                     （2-5-5）

由该式即可计算出黏度η。

另外，在实验观测时式（2-5-2）是否适用，还和其他影响因素有关，对这方面的问题有兴趣的同学请参见附录Ⅱ。

三、实验装置

1、读数显微镜

（1）结构

图2-5-2 读数显微镜

读数显微镜是对微小距离变化进行非接触式测量的常用仪器之一。它是由一个显微镜和一个带有测微螺旋的工作台组合而成的。它有多种类型，图2-5-2所示的就是其中的一种。目镜筒由目镜组和叉丝组成，调节目镜1可看清叉丝。转动目镜筒可调整叉丝的方位。使用中总是使叉丝的水平线与工作台的走向一致。调整好后，用紧固螺丝将目镜筒固定。物镜5安装在镜筒上。通过支架和旋钮2可粗调显微镜与工作台间的距离，从而达到聚焦的目的。工作台由一个测微螺旋带动。旋转测微鼓轮4时，工作台沿x方向移动。镜座上有按米尺刻度的标尺3（称“主尺”），指示出工作台的大致位置。鼓轮4的一周等分为100个刻度，它每旋转一周，工作台移动1㎜。因此每格相当于0.01㎜，和螺旋测微计一样，以毫米为单位时读数到千分位上。在y方向也有一个类似的测微系统，由测微螺旋7移动工作台。

（2）调节

①调节目镜1，看清叉丝；

②将待测物安放在工作台6上，旋动调焦螺丝2，把镜筒放下，将待测物移到物镜下方；

③转动反光镜8从底部照明，或利用上方的照明，改变视场亮度，但注意并非越亮越好，而应是适度；

④向上旋转镜筒，并仔细进行聚焦，以待测物的待测边界清晰为准。另外，要注意消除视差。

（3）测量

①两点间距离的测量。分别旋动螺旋7和鼓轮4，移动工作台，使叉丝的交点对准它们，两个鼓轮上的读数即各自的坐标。然后由几何关系即可算出距离。

②圆的直径的测量。旋动鼓轮4移动工作台，使叉丝的竖直线分别与圆的两侧相切，则鼓轮的两次读数之差即是圆的直径。切记：叉丝的水平刻线必须与工作台的移动方向相一致。

③为消除回程差，在测量距离过程中，要保证工作台只朝一个方向移动。

2、盛待测液体的玻璃圆筒以及加热控温装置。

3、电子计时仪。

4、待测液体蓖麻油、小钢珠等。

三、实验内容与结果

1、测量钢珠直径

调节读数显微镜，测量5枚小钢珠的直径，各测5次，注意每次测量时要调节一下钢珠的方位。每次都记下相应的鼓轮读数x₁和x₂，则每次测量的直径。以平均值作为每枚钢珠的直径。

2、测量下落时间，计算不同温度下的黏度

将钢珠由圆筒中间轻轻放下，用电子计时仪测量每枚钢珠通过圆筒上的上、下两标线间所用的时间t。同时记录当时的油温θ，两标线间的距离L和圆筒直径D。油的密度ρ₀和钢珠密度ρ由实验室提供。用式（2-5-5）计算由各钢珠测得的不同温度下蓖麻油的黏度η。各已知量如下：

钢球密度ρ=(7.700±0.005)×10³kg/m³；重力加速度(哈尔滨)g=9.8066m/s²；蓖麻油密度：一区ρ₀=(0.9741±0.0005)×10³kg/m³，二区ρ₀=(0.9650±0.0005)×10³kg/m³；量筒直径：D=7.88cm。量筒直径的仪器误差1.0mm，两标线间距的仪器误差0.5mm，显微镜的仪器误差0.007mm，测定时间的计时器的不确定度0.2s。

下表给出一组实验测量结果：

    根据上述数据画出黏度随温度的变化关系如下图所示：

3、计算某一温度下黏度测量值的不确定度

由式（2-5-5）计算不确定度，自行推导不确定度公式。在各次测量数据中任取一次（一个钢珠的测量数据）进行不确定度计算，并表达测量结果。

由式（2-5-5）得：，

重力加速度为标准值，则相对合成不确定度公式为：

式中5kg/m³，0.5kg/m³，0.2s，mm，mm，mm。

    以第1次测量结果为例，其=4.516×10^-3mm，代入相对不确定度的表达式可得：

=0.94%，则绝对不确定度为1.360×0.94%=0.013 Pa·s。最终测量结果为：

四、讨论问题

1、试验中，如果不设上下标线，而测量钢珠进入油面后至落到筒底的相应距离和时间，是否可以？为什么？

答：不可以。因为落球法测量液体黏度的关键是求出钢球在液体里作匀速运动的速度，而钢球在刚进入油面和接近筒底时不是匀速运动，这样得到的钢球速度误差较大。

2、在测量钢珠直径时，如果显微镜的叉丝是倾斜的，那么利用这样测得的d，计算η时，η的测量值比真实值偏大还是偏小了？试具体分析。

答：叉丝是倾斜的则测得的d值比实际值偏大，叉丝倾斜越严重，偏差越大。有公式（2-5-5）可知，利用这样测得的d计算η时，η的测量值比真实值偏大。

第二篇：液体黏度

大学化学实验Ⅱ实验报告

（物理化学部分）

（贵州大学化学与化工学院——大学化学教学与示范中心）

班级专业：环科091班

姓名： 岳凡耀

学号： 0908100121

指导教师： 谭 蕾

实验成绩：

实验编号： 01 实验项目名称：液体黏度的测定

报告人：岳凡耀 同组人： 赵安娜 赵芳 实验时间人：20xx年3月

一、 实验目的：（预习）

1、掌握恒温槽的使用，了解其控温原理。

2、了解黏度的物理意义，掌握用奥氏粘度计测定液体黏度的方法。

二、 实验原理：（若不够写，可写在本张背面）（预习）

1、液体黏度的测定

当液体受外力的作用产生流动时，在流动液体的内部存在切向摩擦力。如果要使液体通过管道，必须消耗一部分功来克服这种阻力。当流速低时，管道中的液体会沿着与管壁平行的方向前进，最靠近管壁的液体实际上是静止的，与管壁的距离越远，流动的速度就愈大，可看着是不同半径的同心圆筒分别以不同的速度向前移动。液层之间由于速度不同而表现出内摩擦现象，慢层以一定阻力推动着快曾。液体内摩擦力f的大小与两液层接触面积A和法向速度梯度dV/dZ成正比，用函数可表示为如下形式：

f=ηAdV/dZ （其中η为黏度系数）

本实验用毛细管法测定液体的黏度，装置为奥氏黏度计，液体在毛细管内因重力而流出时遵从泊肃叶公式，即η=πr pt/8Vl

式中，p=pgh是液体的静压力，t为流经毛细管的时间，r为毛细管半径，l为毛细管长度，V为时间t内流经毛细管液体体积。有上述公式可求得液体的黏度。

2、恒温槽原理

恒温槽中温度控制装置是恒温槽控温的关键部分，其作用是控制加热器的工作状态。当恒温槽温度低于指定温度时，加热器开始加热，对恒温介质提供热量，当恒温槽到达指定温度时则停止加热。此次实验所使用的控温装置是接触温度计。

接触温度计的下部是一普通水银温度计，但水银球内有一导线引出，这是接触温度计的一个极。上半部分有一根可随管外磁铁旋转的螺杆，螺杆上有一标铁，此标铁与插入下半部温度毛细管内的钨丝相连。当螺杆转动时，标铁能够上下移动，并带动钨丝上市或下降，由于钨丝插入下端毛细管内的位置车标明的度数一致，故标铁标明的温度即指明了所要控制的温度。螺杆顶端另有一根导线引出，这是接触温度计的另一极，当温度升高时，温度计水银球中的水银回膨胀，并沿毛细管上升，到达设定温度时，与钨丝相碰撞，此时接触温度计导线的两极导通，使继电器线圈中的电流断开，加热器停止加热，反之则断路。

三、 实验仪器和试剂：

仪器：奥氏粘度计1支；数字式恒温槽（HK-10）一套；数字温度计1台；秒表1块；10ml移液管2支；洗耳球1个；

试剂：乙醇（AR）；蒸馏水；

四、 实验步骤与数据记录：（若不够写，可写在本张背面）

1. 调节恒温槽水浴温度恒定在（24.90-25.10）℃，在实验过程中记录三组最高，最低温度。

2.将奥氏黏度计竖直固定在铁架台上，取10ml无水乙醇从奥氏黏度计宽口加入黏度计中，最后放入恒温槽水浴中恒温10min。 3.用洗耳球从奥氏黏度计窄口一端将溶液吸至奥氏黏度计上刻度线以上约2-3cm处，放开洗耳球使其依靠重力自然下流。用秒表准确记录乙醇流经黏度计上、下刻度线的时间。再吸起液体，如此重复操作3次，取平均值，作为时间。

4.取出黏度计，将乙醇回收，再将黏度计放入烘箱烘干。用10ml 的蒸馏水代替乙醇重复步骤2、3的操作，测出蒸馏水流经黏度计上刻度到下刻度的时间，重复操作3次，取平均值。

一、 实验结果与数据处理：（若不够写，可写在本张背面） 1.恒温槽温度的测定

2.黏度的测量

五、 实验结果与数据处理：（若不够写，可写在本张背面）

六、实验讨论及误差分析：

本次实验由于温度的波动不大，所以对黏度的影响也不大，在数据记录过程中，由于视觉原因可能导致时间不精确，出现一定误差，在实验过程中一定要使用同一支粘度计，每次之间的误差不超过0.3s，刻度应在恒温槽的下面，粘度计应该垂直，温度计读书不稳定时候应该减小搅拌速度。

七、实验思考题：

1，测定粘度时候为何要恒温？

答：因为宏观上来讲，温度对液体的体积有影响，微观上讲，温度能够影响液体分子的运动，激烈程度，一般温度升高，液体的亲和度会减小。

2，实验中粘度计为什么必须垂直放置？

答：因为物质的粘度与其温度成正比关系，由于物质黏度的计算公式中有一个涉及剪切力的量，如如果剪切力相同，而力的作用角度不同的话，合成的剪切力也是不同的。

3 本实验中所用乙醇和水的体积必须相同吗？

答：必须的，因为用粘度计测定时液体下流时所受的压力差 与管中液面的高度有关。

八、 指导教师评语及意见：

教师签名：年 月 谭蕾 日