1. Własności fizyczne cieczy
WŁASNOŚCI FIZYCZNE CIECZY
1. Temat ćwiczenia
Tematem ćwiczenia jest poznanie wybranych metod wyznaczania lepkości cieczy oraz jej zmian w zależności od temperatury.
2. Wprowadzenie teoretyczne
Lepkość cieczy jest własnością, która w zasadniczy sposób wpływa na jej zachowanie w ruchu (np. na wielkość oporów). Dlatego umiejętność prawidłowego jej określenia i zależności od temperatury ma w mechanice płynów istotne znaczenie.
Lepkością nazywana jest zdolność cieczy do przenoszenia naprężeń stycznych przy wzajemnym przemieszczaniu cząstek poruszających się z różnymi prędkościami.
Miarą lepkości są jej współczynniki: dynamiczny m i kinematyczny n. Dynamiczny współczynnik lepkości m jest wprost proporcjonalny do naprężeń stycznych (panujących pomiędzy warstwami cieczy) i odwrotnie proporcjonalny do gradientu prędkości
,
stąd
, (1.1)
Natomiast kinematyczny współczynnik lepkości n określony jest zależnością
(1.2)
W omawianym doświadczeniu będzie on wyznaczany za pomocą wiskozymetru (lepkościomierza) Englera (rys. 1.2) i obliczany z przybliżonego wzoru doświadczalnego w zależności od względnego kinematycznego współczynnika lepkości e
, (1.3)
gdzie:
[E], (1.4)
t - czas wypływu określonej ilości cieczy ze zbiornika lepkościomierza Englera,
t0 - czas wypływu określonej ilości cieczy wzorcowej (np. wody destylowanej).
3. Opis przyrządów pomiarowych
Lepkościomierz (wiskozymetr) Englera (rys. 1.2) składa się z trzech podstawowych części: naczynia pomiarowego (1), odbieralnika (9) i termometrów (8). Naczynie pomiarowe lepkościomierza Englera, wewnątrz polerowane i złocone, umieszczone jest w kąpieli wodnej (2), wyposażonej w mieszadło (3), zapewniającej stabilizację temperatury badanej cieczy w trakcie trwania pomiarów. Naczynie pomiarowe przykrywane jest specjalną termoizolującą pokrywą. Elektryczny grzejnik o mocy 400 W i ręczne mieszadło, pozwalają dostosować temperaturę kąpieli wodnej do temperatury badanej cieczy. Lepkościomierz zmontowany jest na specjalnej podstawie. Śruby umieszczone w stopkach trójnogu służą do poziomowania przyrządu. Na bocznej ścianie naczynia pomiarowego umieszczone są trzy ostrza (6), według których ustala się poziom odpowiadający 240 cm3 badanej cieczy. Kapilara ze stali kwasoodpornej (4) o znormalizowanych wymiarach umieszczona jest w środku części dennej naczynia pomiarowego. Do zamykania otworu kapilary służy zatyczka (5) osadzona przesuwnie w pokrywie naczynia pomiarowego. Termometry (8) umieszcza się w lepkościomierzu w odpowiednim tubusie i uchwycie. Termometr zewnętrzny - w uchwycie; termometr wewnętrzny - w skośnym tubusie, umieszczonym w pokrywie naczynia pomiarowego.
Do odbioru wypływającej z lepkościomierza cieczy, służy specjalne, szklane naczynie pomiarowe, wycechowane na objętość 200 cm3 w temperaturze 293 K (20°C). Kołowa rysa odpowiadająca wymienionej pojemności jest naniesiona na szyjkowatym przewężeniu naczynia.
Rys. 1.2. Budowa wiskozymetru Englera
Termometry oznaczone symbolami E1 i E2 służą do pomiarów temperatury kąpieli wodnej i badanej cieczy w naczyniu pomiarowym.
Zmienność ciśnienia na wlocie do kapilary w czasie trwania pomiaru, wynikająca z konstrukcji lepkościomierza Englera powoduje, że bezpośredni pomiar współczynników lepkości byłby bardzo skomplikowany. Daleko łatwiej jest wykonać pomiar porównawczy, tj. porównać lepkość badanej cieczy z lepkością cieczy wzorcowej w określonych warunkach ciśnienia i temperatury. Jako ciecz wzorcową przyjęto wodę destylowaną w temperaturze 293 K (20°C) i przy ciśnieniu 101,325 kPa .
Czas wypływu 200 cm3 cieczy wzorcowej z tego lepkościomierza określono jako 1 stopień Englera (E). Czas ten powinien zawierać się w granicach 50-52 s.
4. Sposób wykonywania POMIARÓW
W celu określenia kinematycznego współczynnika lepkości należy na wstępie ogrzać badaną ciecz do temperatury zbliżonej do tej, w której ma być wykonany pomiar. Ogrzaną ciecz należy przesączyć przez sito o oczkach 200 mm lub 250 mm. Równocześnie trzeba ustalić temperaturę kąpieli wodnej:
a) przy temperaturze badania 293 K (20°C) - na 292,9 K (19,9°C) lub 293,1 K (20,1°C) (w zależności od temperatury otoczenia),
b) przy temperaturze badania 323 K (50°C) - na 323,2 K (50,2°C),
c) przy temperaturze badania 373 K (100°C) - na 374 K (101°C).
Przed rozpoczęciem pomiarów lepkościomierz musi być spoziomowany. W tym celu do naczynia pomiarowego trzeba nalać 240 cm3 badanej cieczy. Następnie manipulując śrubami w stopach trójnogu tak ustawić przyrząd, aby ostrza 3 haczyków umieszczonych na ściance naczynia pomiarowego były ledwo widoczne na menisku cieczy.
Po ustaleniu się temperatury badanej cieczy podnosi się zatyczkę zamykającą otwór kapilary i równocześnie włącza się stoper.
Ciecz wypływa do ustawionego uprzednio odbieralnika. Mierzy się czas wypływu 200 cm3 badanej cieczy. Wyniki pomiarów należy przedstawić w formie tabelarycznej.
Po skończonym pomiarze ciecz wypływa w dalszym ciągu aż do całkowitego opróżnienia naczynia pomiarowego. Wówczas poziom cieczy w odbieralniku powinien być na wysokości rysy 240 cm3, co stanowi kontrolę prawidłowego napełniania naczynia pomiarowego (istnieją odbieralniki, w których nie jest oznaczona objętość 240 cm3, co uniemożliwia przeprowadzenie kontroli).
W czasie pomiaru temperatura kąpieli wodnej powinna być stała. W przypadku badania olejów o dużej lepkości strumień cieczy przerywa się, a olej wypływa kroplami. Można wówczas zmierzyć czas wypływu zmniejszonej objętości cieczy. W tym przypadku dla otrzymania poprawnego wyniku należy zastosować współczynniki korygujące.
Właściwy czas wypływu 200 cm3 cieczy oblicza się z czasu wypływu zmniejszonej objętości, mnożąc ten ostatni przez następujące współczynniki:
- dla czasu wypływu 100 cm3 - mnożnik 2,329,
- dla czasu wypływu 50 cm3 - mnożnik 4,937,
(istnieją odbieralniki, w których nie oznaczono objętości 100 cm3 i 50 cm3, co uniemożliwia przyspieszenie wykonania pomiarów dla cieczy o dużej lepkości).
Na podstawie wzoru (1.4) określa się względny kinematyczny współczynnik lepkości wyrażony w stopniach Englera, a następnie na podstawie wzoru (1.3) można obliczyć kinematyczny współczynnik lepkości.
Obliczenie wartości n dla kilku temperatur badanej cieczy pozwala na wykreślenie zależności n=n (T).
W tym celu należy zmieniać temperaturę kąpieli wodnej, w której zanurzone jest naczynie pomiarowe oraz temperaturę badanej cieczy. W trakcie pomiarów należy zwracać uwagę na wyrównanie temperatur w całym naczyniu. Ten ostatni warunek sprawdza się wykonując kilka powtórzeń pomiaru czasu wypływu cieczy przez otwór kapilary. Różnice pomiędzy tymi czasami powinny mieścić się w granicach błędu dopuszczalnego.
1.5. Uwagi końcowe
Warunkiem uzyskania poprawnych wyników jest przestrzeganie następujących wskazań:
- całkowite opróżnienie wiskozymetru po każdym pomiarze,
- wyrównanie temperatur badanej cieczy w naczyniu wiskozymetru i w kąpieli wodnej.
Zakres wykonywanego ćwiczenia oraz rodzaj badanej cieczy określa osoba prowadząca zajęcia.
- 1 -
lewica21