Badanie lepkości
Każde ciało poruszające się w cieczy lub gazie doznaje pewnej hamującej siły wskutek tego, że warstewki cieczy przylegającej do ciała będącego w ruchu pociągają za sobą coraz dalsze warstewki sąsiednie. Siła, która wywołuje ten spad prędkości ma swe źródło w przyciąganiu międzycząsteczkowym. Jest ona czynnikiem hamującym ruch , zatem przypisujemy jej zwrot przeciwny kierunkowi ruchu i nazywamy ją tarciem wewnętrznym albo lepkością.
Zjawisko lepkości jest wynikiem oddziaływania sił van der Waalsa (oddziaływania międzydrobinowego ).
Pogląd na siły van der Waalsa na podstawie teorii kinetyczno - molekularnej budowy cząsteczek :
Cząsteczki składają się z atomów te zaś z dodatnich jąder i ujemnych elektronów. Gdy dwie cząsteczki zbliżają się do siebie pomiędzy ich elektronami i jądrami działają siły elektr. Przyciągania i odpychania (siły Culombowskie ). Jeżeli nie występują wiązania chemiczne to siły te sprowadzają się do przyciągania ładunków znaku przeciwnego i odpychania ładunków o takim samym znaku. Wskutek tego oddziaływania poruszająca się drobina pociąga za sobą drobinę z nią sąsiadującą tym silniej im ciecz jest bardziej lepka. Natomiast drobina pozostająca w spoczynku hamuje poruszające się drobiny sąsiednie. Np. Jeżeli w szerokim i płytkim naczyniu z cieczą chcielibyśmy przesunąć po powierzchni płaską płytę (np. drewnianą deseczkę) ze stałą prędkością v to musimy działać siłą styczną do powierzchni większą (lub równoważną) opór tarcia wewnętrznego. Warstwa cieczy przylegająca do płyty porusza się z prędkością płyty. Warstwy cieczy mają tym mniejszą prędkość im głębiej leżą. Warstwa cieczy przylegająca do dna naczynia ma prędkość równą zero. Gdy naczynie jest bardzo głębokie tarcie wewnętrzne można pominąć, lecz gdy spadek prędkości jest bardzo duży (naczynie płytkie) to nawet w cieczy bardzo lepkiej powstaje duża siła tarcia wewnętrznego (np. trudniej jest pływać w wodzie płytkiej).
Każdą ciecz charakteryzuje bezwzględny współczynnik lepkości .
Do wyznaczania lepkości cieczy stosuje się wiskozymetry :
Hoeplera (pomiar czasu spadania w cieczy ),
Englera (pomiar szybkości wypływu ),
Ostwalda (pomiar przepływu przez rurki kapilarne).
W naszym ćwiczeniu stosujemy pomiar współczynnika lepkości za pomocą wiskozymetru Hoeplera. Polega ona na mierzeniu czasu opadania kulki w cylindrycznej, nachylonej do pionu pod kątem 10o rurze napełnionej badaną cieczą . Element grzejny wbudowany do wiskozymetru umożliwia pomiar lepkości cieczy dla różnych temperatur . Najdokładniejsze pomiary osiąga się przy współpracy wiskozymetru Hoeplera z ultratermostatem. Ciecz termostatująca o temperaturze utrzymywanej z dokładnością 0,05o cyrkluje pomiędzy zbiornikiem termostatu i płaszczem termostatującym wiskozymetru. Przyczyną cyrkulacji cieczy jest pompka wirnikowa termostatu Związana z ruchem jego mieszadła. Do regulacji temperatury służy termometr kontaktowy w termostacie sterujący pracą przerywacza rtęciowego w obwodzie grzejnika termostatu .
Celem ćwiczenia jest zbadanie zależności współczynnika lepkości od temperatury. Współczynnik obliczamy ze wzoru:
k.(d1-d2).t
k - stała kulki
d1 - gęstość kulki
d2 - gęstość cieczy
t - czas spadania
Lp. |
k [m2/s2] |
d1 [kg/m3] |
d2 [kg/m3] |
T [K] |
t [s] |
[N.s/m2] |
1 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
2 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
3 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
4 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
5 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
6 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
7 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
8 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|
9 |
1.184 . 10-6 |
8.12 . 103 |
1.26 . 103 |
|
|
|