GRUPA NR: 24. ZESPÓŁ: 2.	ĆWICZENIE NR: 1 Wyznaczanie współczynnika lepkości dynamicznej, zależność lepkości od temperatury.	DATA WYKONANIA ĆWICZENIA: 11.04.2004 r.
ZESPÓŁ: 1. Michał Kita 2. Katarzyna Borczyk 3. Katarzyna Kliś 4. Monika Rutka 5. Wojciech Wróblewski			OCENA:

1. WSTĘP TEORETYCZNY:

LEPKOŚĆ jest podstawowym parametrem charakteryzującym własności cieczy. Wchodzi ona w skład wielu modułów bezwymiarowych (liczb kryterialnych), przez co stanowi jedną z głównych wielkości fizykochemicznych, rzutujących tak na procesy transportu i mieszania płynów, jak i wnikania ciepła i masy.

Pojęcie lepkości najłatwiej wyprowadzić rozpatrując cienką warstwę cieczy zawartą pomiędzy dwiema równoległymi płaszczyznami o powierzchni A, oddalonych od siebie o dy. Jedna z płaszczyzn jest nieruchoma, do drugiej zaś przyłożona jest siła styczna F. Lepkość cieczy powoduje, że w ustalonych warunkach siła F zostaje zrównoważona przez siłę tarcia wewnętrznego płynu. Zakładając, że wskutek działania sił ADHEZJI warstewki płynu przylegające bezpośrednio do płyt są względem nich nieruchome, rozkład prędkości w płynie będzie się przedstawiał w pewien specyficzny sposób. Powstanie wówczas stały przepływ, w którym naprężenie styczne zależy od gradientu prędkości.

Graficzną zależność naprężenia stycznego od prędkości ścinania nazywa się KRZYWĄ PŁYNIĘCIA i ta krzywa jest jednym z najbardziej elementarnych zagadnień reologii. Jeżeli dla płynu występuje prosta proporcjonalność między naprężeniem stycznym i prędkością ścinania, czyli jego krzywa płynięcia w danych warunkach ciśnienia i temperatury jest linią prostą o nachyleniu
, to taki płyn nazywa się NEWTONOWSKIM, a współczynnik proporcjonalności nazywa się DYNAMICZNYM WSPÓŁCZYNNIKIEM LEPKOŚCI.

ENERGIA AKTYWACJI LEPKOŚCI, to minimalna wartość energii, jaką musi posiadać cząsteczka, aby wejść w przestrzeń przepływu pomiędzy dwiema sąsiadującymi cząsteczkami cieczy. Energię tą można wyliczyć w oparciu o równanie ARRHENIUSA - GUZMANA:

,

gdzie A jest stałą charakterystyczną danej cieczy, R uniwersalna stałą gazową, natomiast T - temperaturą bezwzględną.

2. CEL ĆWICZENIA:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika dynamicznego lepkości roztworu wodnego gliceryny, a także określenie zależności lepkości od temperatury, przy stałym ciśnieniu i dla konkretnej cieczy. Na podstawie pomiarów należy także określić energię aktywacji lepkości, opierając się o wykres zależności parametrów cieczy. Pomiarów lepkości dokonuje się metodą HOPPLERA.

3. ZADANE PARAMETRY:

Dany jest roztwór glikolu propylenowego w wodzie o stężeniu 10% i pewnej gęstości. Należy określić lepkość tego roztworu w zadanym przedziale temperatur w odstępach pięciostopniowych. Zarówno ciśnienie panujące w układzie, jak i skład cieczy jest stały podczas całego doświadczenia.

4. SPOSÓB WYKONANIA ĆWICZENIA:

1. Wstępne przygotowanie aparatury, oczyszczenie i wysuszenie rury reowiskozymetru, napełnienie rury cieczą, ustalenie temperatury, dobranie odpowiedniej kulki do doświadczeń.

2. Uszczelnienie rury, usunięcie bąbelków powietrza, kontrola temperatury.

3. Pomiar czasu opadania kulki w rurze, pomiędzy dwoma kreskami na krańcach rury.

4. Przygotowanie aparatury do następnego pomiaru - ustawienie temperatury i podniesienie kulki przez obrót rury o 180 stopni.

5. Pomiar gęstości roztworu za pomocą piknometru, w danej temperaturze.

Pomiarów w danej temperaturze dokonuje się kilkakrotnie, wyniki muszą mieć zbliżone wartości.

Takich grup pomiarów trzeba dokonać dla każdej zadanej temperatury. Należy także dokonać stosownych pomiarów gęstości za pomocą piknometru.

5. WYNIKI POMIARÓW:

ZESTAWIENIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH
STAŁA KULKI:
GĘSTOŚĆ MATERIAŁU KULKI:
PROCENTOWE STĘŻENIE MASOWE ROZTWORU:
GĘSTOŚĆ WODY:
MASA PIKNOMETRU SUCHEGO:
MASA PIKNOMETRU Z WODĄ:
MASA PIKNOMETRU Z ROZTWOREM:
L.P.	T
		[K]	[s]	[s]		[1/K]	[-]
	1	295	14.79	14.86	0.001523	0.003390	-6.487
								14.90
								14.89
	2		300					13.70	13.66	0.001400	0.003333	-6.571
								13.58
								13.69
	3		305					12.56	12.61	0.001292	0.003279	-6.651
								12.68
								12.59
	4		310					11.75	11.79	0.001208	0.003226	-6.719
								11.85
								11.77
	5		315					11.43	11.44	0.001172	0.003175	-6.749
								11.39
								11.50
	6		320					10.30	10.62	0.001088	0.003125	-6.823
								10.80
								10.75
	7		325					10.01	10.12	0.001037	0.003077	-6.871
								10.25
								10.10
	WODA		295					11.03	11.05	0.001132	-	-
								11.08
								11.04

Gęstość średnią roztworu liczy się w oparciu o pomiary piknometrem:

.

Każdorazowo współczynnik lepkości kinematycznej liczy się ze wzoru wyprowadzonego dla metody HOPPLERA:

.

OPRACOWANIE DANYCH DOŚWIADCZALNYCH:

Zależność współczynnika lepkości dynamicznej od temperatury bezwzględnej przedstawia się następująco:

Równanie ARRHENIUSA - GUZMANA przyjmuje postać:

Jest to zarazem równanie prostej y = a x + b, jeżeli przyjmie się następujące założenia:

W związku z tym można obliczyć wartości współczynnika charakterystycznego cieczy i energii aktywacji:

Należy jeszcze określić metodą regresji liniowej współczynniki prostej, a i b:

W związku z tym stałe wynoszą odpowiednio:

6. DYSKUSJA WYNIKÓW:

Na wykresie zależności współczynnika dynamicznego lepkości od temperatury w skali bezwzględnej - przy stałych pozostałych parametrach - można zauważyć, że lepkość maleje wraz ze wzrostem temperatury. Tempo tych zmian staje się coraz mniejsze przy zwiększającej się temperaturze. Gdyby nie nastąpiła przemiana fazowa (parowanie/wrzenie) w pewnej temperaturze oraz osiągnięcie punktu krytycznego w dalszej temperaturze, ciecz zmniejszałaby swoją lepkość asymptotycznie dążąc do osiągnięcia lepkości równej wartości stałej A w nieskończonej temperaturze. Do tempa zmniejszania się lepkości swój przyczynek ma także wartość energii aktywacji E.

7. WNIOSKI KOŃCOWE:

Jak widać, lepkość maleje ze wzrostem temperatury, przy stałym stężeniu pewnego składnika w roztworze (w gazach lepkość ze wzrostem temperatury zwiększa się). Natomiast w stałej temperaturze, ale przy rosnącym stężeniu składnika rozpuszczonego lepkość także rośnie. Wiąże się to zapewne ze specyfiką cieczy użytej do doświadczenia, gdyż w postaci czystej ma ona względnie duży współczynnik lepkości dynamicznej i ma to istotny wpływ na lepkość wypadkową mieszaniny.

Przyczyny trudności i ewentualnych błędów:

1. Jeżeli kulka opadała w badanej cieczy szybko, mógł nastąpić niewielki błąd pomiaru czasu.

2. Mogły wystąpić błędy w odczycie temperatury cieczy, jeżeli nie ogrzała się ona w całości (niewystarczająco długo).

3. Początkowo kulka opada ruchem niejednostajnym i nie można całkiem dokładnie ustalić momentu ustabilizowania prędkości.

4. W najwyższej temperaturze pomiarowej zaczynało się pojawiać rozpuszczone w cieczy powietrze, w postaci pęcherzyków.

Wykres zależności lepkości od stężenia glikolu propylenowego w temperaturze 295 K:

1

---