Bartosz Puchalski 22.XII.2004

Ćwiczenie nr 21

Zależność lepkości cieczy od temperatury

Wyznaczanie lepkości cieczy w wiskozymetrze Ostwalda

Lepkość jest to właściwość ciał przejawiająca się w powstawaniu sił oporu (tarcia wewnętrznego) przeciw ruchom wewnętrznym ciała, wykazującym przestrzenne zróżnicowanie prędkości. Wskutek lepkości energia mechaniczna ruchów wewnętrznych przemienia się w ciepło. Doświadczalnie stwierdzono, że siła styczna, potrzebna do utrzymania stałej różnicy prędkości, dwóch poruszających się w tym samym kierunku warstw cieczy, zmienia się proporcjonalnie do różnicy szybkości dw i do wielkości powierzchni A warstwy, natomiast odwrotnie proporcjonalnie do odległości warstw dx. Tą zależność obrazuje wzór:

;gdzie η - współczynnik proporcjonalności charakterystyczny dla cieczy (lepkość bezwzględna). Lepkość bezwzględną określamy jako siłę przypadającą na jednostkę powierzchni
niezbędną do utrzymania różnicy prędkości 1 m/s pomiędzy dwoma warstwami substancji odległymi o 1m. Ponieważ w tym ćwiczeniu badamy zależność lepkości od temperatury warto wspomnieć, że lepkość cieczy maleje o około 2% gdy temperatura wzrasta o 1 K. Funkcję wykładniczą wyrażającą zależność lepkości od temperatury opisali S. Arrhenius i J. Guzman:

;gdzie A i B - stałe charakterystyczne dla danej cieczy, R - stała gazowa (8.313 J/mol*K), T - temperatura bezwzględna. Z kolei prawo podziału Maxwella - Boltzmanna określa liczbę cząsteczek mających energię aktywacji - E, niezbędną do przejścia w inne położenie równowagi w cieczy:

Proporcjonalność tej zależności do równania Arrheniusa - Guzmana wyraża wzór:

Zastosowana w tym ćwiczeniu wiskozymetryczna metoda przepływu (polegająca na pomiarze czasu przepływu określonej objętości cieczy przez wzorcową rurkę kapilarną po działaniem znanej różnicy ciśnień) opiera się na prawie Poiseuilla. Prawo to wyraża się wzorem:

;gdzie v - objętość cieczy wypływającej, t - czas wypływu, l - długość kapilary, r- promień kapilary, Δp - różnica ciśnień, η - lepkość bezwzględna. Kiedy ciecz wypływa tylko pod działaniem własnego ciężaru powstaje zależność, którą można opisać wzorem:

;gdzie (h₁ - h₂) - różnica poziomów, d - gęstość cieczy, g - przyśpieszenie ziemskie (9.81 m/s²). Po uwzględnieniu tego wzoru, mierząc kolejno czas przepływu równych objętości dwóch różnych cieczy przez tę samą rurkę kapilarną pod działaniem ciężaru, odnosząc się do prawa Poiseuilla otrzymujemy zależność:

;gdzie η₁ i η₂ - lepkości bezwzględne, d₁ i d₂ - gęstości, t₁ i t₂ - czasy przepływów. Jeżeli ciecz o znanej lepkości przyjmiemy za wzorzec, to stosunek lepkości bezwzględnej cieczy badanej do lepkości bezwzględnej cieczy wzorcowej nazwiemy lepkością względną:

;symbole oznaczone „0” odpowiadają cieczy wzorcowej, symbole oznaczone „x” odpowiadają cieczy badanej. Najpopularniejszą cieczą wzorcową jest woda.

Literatura:

L. Sobczyk, A. Kisza, K. Gatner, A. Koll „Eksperymentalna chemia fizyczna” PWN Warszawa 1982 str. 273-279

Praca zbiorowa „Chemia Fizyczna” PWN Warszawa 1963 str. 339-340

J.B. Czermiński, A. Iwasiewicz, Z. Paszek, A. Sikorski „Metody statystyczne dla chemików” PWN Warszawa 1986

Praca zbiorowa „Podręcznik do ćwiczeń z chemii fizycznej” PWN Warszawa 1952 str.48-53

Substancje chemiczne stosowane w zadaniu:

Alkohol etylowy 96% 64-17-5

Octan etylu 141-78-6

Oświadczam, że zapoznałem się z kartami charakterystyk w/w substancji i znane mi są właściwości tych substancji, sposoby bezpiecznego postępowania z nimi oraz zasady udzielania pierwszej pomocy w nagłych wypadkach.

Celem tego ćwiczenia jest wyznaczenie lepkości substancji badanej w różnych temperaturach. Dzięki czemu można będzie pokazać za pomocą odpowiedniego wykresu zależność lepkości od temperatury.

---