Akademia Techniczno-Humanistyczna

Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Zespół Mechaniki Płynów i Maszyn Przepływowych

Laboratorium z Mechaniki Płynów

Pomiar lepkości cieczy

Wydział: WBM

Grupa: 2

Semestr:3

Rok akademicki:2001/2002

Wykonał:

1. Cel ćwiczenia

Celem tego ćwiczenia było zapoznanie się ze sposobami pomiaru lepkości cieczy.

• Wyznaczenie współczynnika lepkości cieczy oraz zbadanie jego zależności od temperatury.

• Wykorzystanie do pomiaru wiskozymetru (lepkościomierza) Hoeplera.

• Poznanie innych metod badania lepkości cieczy

2. Metody pomiarów współczynnika lepkości.

Płyny rzeczywiste charakteryzują się lepkością, która jest makroskopowym przejawem zjawisk molekularnych polegających na wymianie pędu poprzez bezładny ruch molekuł. Wymiana pędu zmierza do osiągnięcia stanu równowagi termodynamicznej poprzez nieodwracalne przenoszenie się pędu z obszarów, gdzie jest jego nadmiar, do obszarów, gdzie jest jego względny niedomiar.

W przypadku braku oddziaływań sił zewnętrznych oraz w przypadku nieruchomych ścian, ruch płynu rzeczywistego zmierza do spoczynku. Zorganizowany początkowo ruch płynu zmienia się w bezładny ruch molekuł, czyli w ciepło. Lepkość zależy od temperatury, zaś
w bardzo małym stopniu zależy od ciśnienia.

Inne metody pomiaru lepkości:

Za pomocą wiskozymetry kapilarowe (lepkościomierze włoskowate) - ich zasada działania oparta jest na pomiarze czasu wypływu uwarstwionego cieczy, z pojemnika o określonej objętości przez pionową rurkę włoskowatą.

Wypływ uwarstwiony - (czyli laminarny tj. taki przy którym warstwy elementarne cieczy zsuwają się po sobie z oporami określonymi prawem Newtona).

Wiskozymetry-rotacyjne. Lepkość dynamiczną cieczy zmierzono za pomocą wiskozymetru obrotowego Coutte'a. Badana ciecz wypełniła przestrzeń pierścieniową pomiędzy ściankami naczynia walcowego i bębna, który wprawiany jest w ruch obrotowy. Wartość obrotowa momentu jest proporcjonalna do lepkości cieczy, a więc mierząc ten moment można obliczyć współczynnik lepkości.

Praktycznie wszystkie przyrządy do pomiaru lepkości-wiskozymetry, opierają się na teorii przepływu Stokesa, czyli na teorii przepływu ustalonego z bardzo małymi prędkościami,
w którym siły lepkości są siłami przeważającymi.

Zgodnie z prawem Stokesa, szybkość opadania kulki w cieczy jest proporcjonalna do lepkości cieczy. Mierząc czas opadania kulki, na ściśle odmierzonym odcinku rury -odcinek pomiędzy skrajnymi kreskami naniesionymi na rurze, o długości l = 100mm, w stałej temperaturze, prawo to można wyrazić wzorem :

gdzie:

_c- współczynnik lepkości [

-gęstość materiału kulki [

gęstość badanej cieczy [

K -współczynnik proporcjonalności , zwany stałą kulki [

t -czas opadania kulki na ustalonej długości drogi [s]

Stała kulki K zależy w pierwszym rzędzie od jej średnicy i gęstości oraz od średnicy i kąta nachylenia rury. Na wielkość tej stałej wpływa także stan powierzchni rury jak i samej kulki.

Wartości stałych K oraz gęstości materiału kulek
podane są przez wytwórcę.

3.Opis stanowiska i metodyki pomiarowej.

Rura pomiarowa wiskozymetru była wypełniona wodą destylowaną oraz znajdowała się
w niej kulka. Żądaną temperaturę cieczy uzyskuje się przez ustawienie jej na ultra termostacie. Po ustaleniu się żądanej temperatury łaźni wodnej należy wypoziomować aparat, odczekać chwilę w celu umożliwienia wyrównania się temperatur płaszcza wodnego i wody w rurze pomiarowej, a następnie przystąpić do pomiaru.

W tym ćwiczeniu pomiary były dokonywane dla temperatur : 23°C,30°C, 39°C, 46°C. Gęstość wody w zależności od temperatury była odczytywana z tablic.

Pomiar lepkości cieczy był przeprowadzony na wiskozymetrze Höpplera .

Wiskozymetr Höpplera składa się z nachylonej do pionu pod kątem 10º rurki szklanej 1, otoczonej płaszczem wodnym 2, wyposażonym w grzałkę elektryczną 3. Takie umieszczenie rurki umożliwia zmiany temperatury badanej cieczy i utrzymywanie jej na stałym poziomie w czasie pomiaru (w przypadku zastosowania termostatu połączonego z płaszczem wodnym ).

Rurka pomiarowa wyposażona jest w gwintowane pokrywy 4 i 5, umożliwiające jej napełnianie oraz wprowadzenie kulki 6. Całość zamocowana jest do statywu 7 za pomocą przegubu 8. Umożliwia to obrót rury pomiarowej o 180º. Trzpień 9 służy do ustalenia położenia początkowego. Warunkiem prawidłowego pomiaru jest dokładne wypoziomowanie przyrządu za pomocą śrub 10. Płaszcz wodny aparatu połączony jest przy pomocy węży gumowych z ultra termostatem, utrzymującym na zadanym poziomie wartość temperatury wody opływającej rurę pomiarową. Temperaturę łaźni wodnej można odczytać na termometrze znajdującym się w płaszczu wodnym .

4. Pomiary i obliczenia.

Pomiary były dokonywane dla następujących temperatur cieczy: 23C, 30C, 39C, 46C. Gęstość cieczy (wody ) była odczytywana z tablic.

Dla temperatury 23C czas opadania kulki wyniósł t=81 [s] , gęstość wody
= 0.997
gęstość kulki
, współczynnik lepkości
_c =0,9325 [
.

Obliczamy współczynnik proporcjonalności, zwany stała kulki ze wzoru

po podstawieniu wartości liczbowych otrzymujemy:

K≈0,0082[

Lepkość kinematyczną obliczam ze wzoru η = ρ
, gdzie ρ- gęstość cieczy ,ν -lepkość kinematyczna ,η- lepkość dynamiczna ,po przekształceniu otrzymuję

po podstawieniu danych liczbowych i wykorzystując zależność cP=
otrzymuję :

]

Dla pozostałych temperatur obliczenia zostały przeprowadzone w ten sam sposób a ich wyniki są zebrane w tabeli.

Lp.	Temperatura wody T	Czas opadania kulki t	Gęstość wody	Lepkość			Stała kulki
								η		ν	K
	C	s		cP	cSt		[
1	23	81	0,997	0,9325	0,9353		0,0082
2	23	79	0,997	0,9325	0,9353		0,0084
3	30	68	0,995	0,7975	0,8015		0,0083
4	30	67	0,995	0,7975	0,8015		0,0085
5	39	56	0,992	0,6654	0,6708		0,0084
6	39	55	0,992	0,6654	0,6708		0,0086
7	46	48	0,989	0,5856	0,5921		0,0086
8	46	47	0,989	0,5856	0,5921		0,0088

5. Wykres.

6.Wnioski.

Ćwiczenie to umożliwiło nam zapoznanie się ze sposobem pomiarów lepkości cieczy. Wielkości zmierzone bezpośrednio i obliczone obarczone są pewnymi błędami . Dokładność pomiaru czasu opadania kulki była uzależniona od refleksu mierzącego.

Jak wynika z wykresu lepkość cieczy maleje ze wzrostem temperatury. Nie jest to jednak zależność liniowa - różnice pomiędzy zaobserwowanymi wartościami współczynnika lepkości stają się coraz mniejsze przy stałych różnicach temperatury.

Należy się domyślać że istnieje pewna graniczna wartość lepkości (różna dla różnych płynów) jednak jej zaobserwowanie wymagałoby przeprowadzenie pomiarów w szerszym zakresie temperatur.

Aby obliczenia były poprawne przepływ cieczy musi mieć charakter laminarny.

Lepkość:

jest to opór stawiany zewnętrznym siłą ścinającym. Aby przesunąć dwie warstewki należy przyłożyć pewną siłę statyczną zdolną do pokonania sił tarcia wywołanych lepkością ( wiskozą ). W sensie fizycznym jest to strata energii podczas przepływu. Rozpatrujemy strugę płynu przepływającą równolegle do ścianek naczynia. Pod wpływem sił między cząsteczkowych, sił adhezji elementy płynu znajdujące się bezpośrednio na ściance posiadają prędkość równą zero. W miarę oddalania się od ścianki prędkość rośnie do pewnej stałej prędkości. Strefę o zmiennej prędkości nazywamy warstwę przyścienną ( graniczną ). Dzieje się tak wskutek lepkości.

---