Marcin Usarzewicz. 25.02.2002.

Poprawa ćwiczenia nr 21.

Zależność lepkości cieczy od temperatury. Wyznaczanie lepkości cieczy w wiskozymetrze Ostwalda.

1. Teoria.

Lepkością nazywamy opór stawiany przez tarcie wewnętrzne cieczy, jakie pojawia się w wyniku jej przepływu. Opór ten wynika ze zjawiska, które można doskonale zaobserwować przy spokojnym przepływie cieczy, nazywanym laminarnym, a mianowicie można zauważyć, iż warstwy leżące najbliżej środka przewodu poruszają się z największą prędkością w miarę oddalania się od niego prędkość ta maleje. Lepkość jest wynikiem oddziaływań międzycząsteczkowych, które powodują wymianę cząsteczek pomiędzy warstwami w wyniku, czego tracą część swojej energii kinetycznej, co przekłada się na zmniejszenie składowej prędkości w kierunku przepływu.

Lepkość określamy na podstawie równania Newtona w postaci:

gdzie: F - siła powodująca ruch cieczy

η - lekkość

S - pole przekroju

dV/dr - gradient prędkości prostopadły do kierunku przepływu

Jednostką, w jakiej wyrażany lepkość, a która wynika z powyższego równania jest Ns/m².

W większości przypadków lepkość jest zależna tylko od temperatury i ciśnienia. Zależność lepkości od temperatury określa równanie Arrheniusa-Guzmana:

gdzie: A i B - stałe charakterystyczne dla badanej cieczy

R - stała gazowa

T - temperatura bezwzględna

Stałe A i B wyznacza się doświadczalnie przez pomiar lepkości w kilku temperaturach i wykreślenie prostoliniowej zależności: lnη= f(1/T).

Pomiaru lepkości dokonuje się jedną z następujących metod:

- przepływ przez rurki kapilarne - w metodzie tej porównuje się czas przepływu jednakowych objętości cieczy wzorcowej (o znanej lepkości) oraz cieczy badanej,

- pomiar czasu opadania kulki w badanej cieczy - metoda ta opiera się na prawie Stokesa. Lepkość określa się na podstawie znajomości promienia opadającej kulki, drogi opadania oraz czasu opadania,

- metoda wiskozy metryczna.

Do pomiarów metodą wiskozy metryczną najczęściej wybiera się wiskozymetr Ostwalda. Jest to U - rurka, w której jednym z ramion znajduje się kapilara o określonej długości i promieniu, połączona ze zbiornikiem o określonej objętości. Pomiarów dokonuje się metodą porównawczą mierząc czas wypływu ciecz ze zbiornika. Metoda ta opiera się na prawie Poiseuille'a opisującym przepływ przez rurki kapilarne. Znając czasy wypływu cieczy wzorcowej i badanej oraz ich gęstości lepkość obliczamy z wzoru:

gdzie: η, η_w - lepkość badanej cieczy oraz wzorcowej

ρ, ρ_w - gęstość badanej cieczy oraz wzorcowej

τ, τ_w - czas wypływu badanej cieczy oraz wzorcowej

2. Odczynniki:

- alkohol etylowy (0044)

- octan etylu (0087)

Oświadczam, iż zapoznałem się z kartami charakterystyk wymienionych substancji i zobowiązuję się do przestrzegania przepisów BHP obowiązujących przy pracy z nimi.

3. Literatura:

„Chemia fizyczna”, praca zbiorowa, wyd. PWN W-wa 1980,

„Chemia fizyczna”, K. Pigoń, Z. Ruziewicz, wyd. PWN W-wa 1988.

Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było ustalenie zależności lepkości 10% roztworu alkoholu etylowego od temperatury oraz poznanie terminu „lepkość”, a także zapoznanie się z metodami jej wyznaczania.

Wykonanie ćwiczenia.

Badaliśmy lepkość 10% roztworu alkoholu etylowego w wiskozymetrze Ostwalda w temperaturach 20, 25, 30, 35, 40, 45 i 50 °C. Każdy z pomiarów poprzedzony był 10 minutowym termostatowaniem w dane temperaturze dla uniknięcia błędów wynikających z różnic temperaturowych.

Zestawienie wyników doświadczalnych.

T [K]	d [g/cm^3]	t [s]	η [Pa s]	lnη	1/T [1/K]
293	0,9818	222,13	1,538 10^3	-6,4773	0,00341
298	0,9802	193,73	1,339 10^3	-6,6158	0,00336
303	0,9787	171,80	1,186 10^3	-6,7372	0,00330
308	0,9762	151,97	1,046 10^3	-6,8628	0,00325
313	0,9747	139,87	0,961 10^3	-6,9465	0,00319
318	0,9722	123,43	0,846 10^3	-7,0750	0,00314
323	0,9699	112,63	0,770 10^3	-7,1691	0,00310

Wyznaczenie stałych A i B z równania Arrhenniusa - Guzmana oraz energii aktywacji przepływu lepkiego.

Stałe zostały wyznaczone z współczynników zależności lnη= f(1/T) i wynoszą:

A = 9,53 10^-7 [Ns/m²] i B = 2161,2 [mol/J]

Znając stałą B można obliczyć energię aktywacji przepływu lepkiego, ponieważ E_a = BR.

E_a = 17968,2 [1/K]

Wnioski.

Zgodnie z przewidywaniami roztwór wykazuje wykładniczy spadek lepkości ze wzrostem temperatury. Pomiar lepkości za pomocą wiskozymetru Ostwalda jest metodą precyzyjną, lecz wyniki są uzależnione od dokładności wykonania przyrządu oraz pomiarów wykonanych dla substancji wzorcowej.

---