Własności fizykochemiczne olejów i smarów

Data Ćwiczenia:	10.11.2011, Czwartek TN
Wykonawcy:	Karolina Żegiestowska Marcin Szymiczek Łukasz Maśko
Ocena:

Cel ćwiczenia

- Wyznaczenie lepkości kinematycznej badanych olejów oraz wpływu temperatury na tę wielkość

- wyznaczenie temperatury kroplenia smaru

- wyznaczenie gęstości pozornej metodą ważenia hydrostatycznego.

Opis metody pomiarowej

1. Pomiary lepkości kinematycznej

Podstawą fizyczną do obliczenia kinematycznego współczynnika lepkości dla dwóch typów olejów (jasnego i ciemnego) było oznaczenie charakterystyki wypływowej.

W trakcie pomiarów, mierzono czas opróżnienia (przepływu) konkretnych kubków wypływowych. W laboratorium dysponowano kubkami o trzech średnicach: 3, 4 oraz 5 mm. Kubki należało dobrać tak, by czas wypływu poszczególnych olejów w różnych temperaturach zawierał się w przedziale τ = 30 − 100,  s. W zależności od średnicy kubka, charakterystyki wypływowe należało obliczyć z następujących wzorów:

a) $d = 3mm:\ v = 0,443t - \frac{200}{t};$

b) $d = 4mm:v = 1,37t - \frac{200}{t};$

c) $d = 5mm:v = 3,28t - \frac{220}{t}.$

W powyższych wzorach:

v − lepkosc kinematyczna; d − srednica kubka; t − czas wyplywu.
Następnie, przy opracowywaniu wyników pomiarów, sporządzono wykres zmiany lepkości w funkcji temperatury próbki v = f(T).

2. Pomiary temperatury kroplenia smarów

W celu wyznaczenia temperatury kroplenia smaru (wazeliny białej) należało wypełnić końcówkę pomiarową termometru badawczego smarem i usunięciu jego nadmiaru metodą zamieszczoną w instrukcji. Tak przygotowany termometr umieszczono w stanowisku pomiarowym, którego schemat zamieszczono w kolejnym punkcie sprawozdania. Kolejnym krokiem było napełnienie zestawu pomiarowego ciepłą wodą i załączenie mieszadła magnetycznego. Obserwując wskazania termometrów należało odnotować dwie temperatury: wody i smaru w chwili oderwania się kropli smaru od otworu naczynia. Średnią arytmetyczną obu wskazań uznano za temperaturę kroplenia smaru. Dla pewności pomiary powtórzono czterokrotnie. Średnia wyników czterech pomiarów to szukana temperatura kroplenia badanego preparatu.

3. Pomiary gęstości pozornej ciał stałych.

Tę część pomiarów wykonano przy użyciu wagi hydrostatycznej. Pomiar gęstości w tym przypadku oparty jest na prawie Archimedesa. Realizowany był poprzez dwukrotny pomiar masy badanej substancji w cieczy o znanej gęstości oraz w powietrzu. W tym celu za pomocą odważników zawieszonych na ramieniu dźwigni wagi, równoważono wypór konkretnych ciał.

Po wykonaniu niezbędnych pomiarów obliczenia gęstości pozornej ciał stałych dokonano przy pomocy równania:

$$\rho_{s} = m_{p}\frac{\rho_{w} - \rho_{p}}{m_{p} - m_{w}}$$

W powyższym wzorze:

ρ_s- gęstość pozorna ciała, $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

m_p- masa przedmiotu w powietrzu, kg

m_w- masa przedmiotu w cieczy

ρ_w- gęstość cieczy (wody)

ρ_p- gęstość powietrza

W badanym przypadku cieczą była woda, a badane obiekty wykonane były z: ceramiki, mosiądzu, teflonu oraz stali.

Stanowisko pomiarowe

1. Stanowisko do pomiaru współczynnika lepkości kinematycznej

Rysunek 1: Stanowisko pomiarowe współczynnika lepkości kinematycznej

1. Stanowisko do pomiaru temperatury kroplenia smarów

Rysunek 2. Schemat stanowiska do pomiaru temperatury kroplenia smaru.

1. Stanowisko do pomiaru gęstości pozornej ciał stałych.

Rysunek 3: Schemat stanowiska do pomiaru gęstości pozornej ciał stałych

Protokół pomiarowy

Tabela 1. Protokół wyznaczenia lepkości olejów

Rodzaj oleju	T / ^oC	Średnica kubka D / mm | t / s
		D1 | t1
Jasny	49,5	3 | 92
Jasny	34
Jasny	36
Jasny	21
Ciemny	40
Ciemny	39
Ciemny	21

Tabela 2. Protokół wyznaczania gęstości ciał

Rodzaj próbki	Masa w powietrzu mp, g	Masa w cieczy mw, g
Ceramika	9,1424 / 9,1426	6,7236 / 6,7237
Mosiądz	10,8098 / 10,8102	9,5046 / 9,5045
Teflon	3,7737 / 3,7739	2,0414 / 2,0415
Stal	4,6182 / 4,6183	4,0329 / 4,0322

Temperatura otoczenia T_ot = 20,9 ^oC

Temperatura cieczy T_c = 20,6 ^oC

Tabela 3. Protokół wyznaczania temperatury kroplenia smaru (wazeliny)

Lp.	Temperatura kąpieli Tk, ^oC	Temperatura smaru Ts, ^oC
1	61	32
2	63	32
3	64	32
4	65	32

Wyniki obliczeń

1. Przykładowe obliczenie współczynnika lepkości kinematycznej v dla kubka o średnicy d = 4 mm.

$$v = 1,37t - \frac{200}{t} = 1,37*39 - \frac{200}{39} = 48,3\ \frac{m^{2}}{s}$$

Pozostałe współczynniki obliczono analogicznie, uzależniając wzór obliczeniowy od średnicy otworu wypływowego kubka. Uzyskane dane pozwoliły na wyznaczenie zmiany lepkości próbki w funkcji temperatury. Tabelę wyników oraz wykresy dla poszczególnych olejów zamieszczono poniżej.

Tabela 4. Wyniki obliczeń lepkości kinematycznej

Rodzaj oleju	T / ^oC	Średnica kubka D / mm | t / s	$$v,\ \frac{m^{2}}{s}$$
		D1 | t1	D2 | t2
Jasny	49,5	3 | 92
Jasny	34		4 | 39
Jasny	36		4 | 40
Jasny	21		4 | 53
Ciemny	40		4 | 59
Ciemny	39		4 | 63
Ciemny	21

Wykres 1. Zależność v = f(T) dla oleju jasnego

Wykres 2. Zależność v = f(T) dla oleju ciemnego

2. Przykładowe obliczenia temperatury kroplenia smaru

$$T = \frac{T_{k} + T_{s}}{2} = \frac{64 + 32}{2} = 48\ ,\ _{\ }^{o}C$$

W powyższym wzorze:

T – temperatura kroplenia smaru

T_k- temperatura kąpieli wodnej w chwili opadnięcia pierwszej kropli

T_s- temperatura smaru w chwili opadnięcia pierwszej kropli

W przypadku pozostałych trzech pomiarów temperaturę kroplenia wyznaczono analogicznie. Ostateczna temperatura kroplenia była średnią arytmetyczną temperatur obliczonych na podstawie kolejnych pomiarów. W tabeli poniższej wynikowej oznaczono ją symbolem $\overset{\overline{}}{T}$.

Ponadto policzono odchylenie standardowe. Najdokładniej pozwala ono obliczyć niepewności pomiarowe.

Tabela 5. Tabela wynikowa obliczeń temperatury kroplenia smarów

Lp.	Temperatura kąpieli Tk, ^oC	Temperatura smaru Ts, ^oC	T, ^oC	$$\overset{\overline{}}{T},\ _{\ }^{o}C$$	$$\sigma_{\overset{\overline{}}{T},\ \ }_{\ }^{o}C$$
1	61	32	46,5	47,625	0,47
2	63	32	47,5
3	64	32	48
4	65	32	48,5

3. Przykładowe obliczenia gęstości pozornej ciał stałych na przykładzie obiektu mosiężnego.

$$\rho_{s} = m_{p}\frac{\rho_{w} - \rho_{p}}{m_{p} - m_{w}} = \left( 10,81*10^{- 3} \right)*\frac{1000 - 1206}{\left( 10,81 - 9,50455 \right)*10^{- 3}} = 1706\ ,\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

Analogiczną drogę obliczeniową przeprowadzono dla pozostałych materiałów.

Ponadto obliczono odchylenia standardowe najlepiej ukazujące niepewności pomiarowe.

Tabela 6. Tabela wynikowa gęstości pozornej ciał stałych

Rodzaj próbki	Masa w powietrzu mp, g	Masa w cieczy mw, g	Gęstość pozorna $\rho_{s},\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$	$$\sigma_{\rho_{s}},\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$
Ceramika	9,1424 / 9,1426	6,7236 / 6,7237	779	0,16
Mosiądz	10,8098 / 10,8102	9,5046 / 9,5045	1706	0,26
Teflon	3,7737 / 3,7739	2,0414 / 2,0415	449	0,1
Stal	4,6182 / 4,6183	4,0329 / 4,0322	1626	0,42

Wnioski

- Poprzez pomiary szybkości wypływu olejów o różnych temperaturach przez dyszę można wyznaczyć zależność zmian lepkości w funkcji temperatury. Zaobserwowano iż wraz ze wzrostem temperatury, lepkość olejów maleje. Szybki spadek zauważalny jest szczególnie w przypadku oleju o ciemnej barwie.

- Uzyskana wartość temperatury kroplenia smaru (wazeliny) wynosząca

T = 47, 63  ± 0, 47  ^oC jest zgodna z danymi książkowymi, mówiącymi, iż temperatura kroplenia tej substancji w zależności od czynników środowiskowych, wahać może się w granicach 40 – 60  ^oC.

- W celu dokonywania dokładniejszych pomiarów temperatury kroplenia smaru, sugeruje się wymianę mieszadła magnetycznego na model o większej mocy oraz termometrów cieczowych na elektroniczne, o większej dokładności pomiarowej.

- Uzyskane wartości gęstości pozornych badanych ciał stałych odbiegają w każdym przypadku od wartości oczekiwanych. Wynikać może to z faktu, iż elektroniczna waga o dużej dokładności umiejscowiona była na niestabilnym, wrażliwym na nawet najmniejszy ruch podłożu przez co pomiary mogły być obarczone większym błędem.

Możliwe także, iż badane próbki cechowały się zbyt dużą porowatością, tzn. zbytnio nasiąkały wodą, co również mogło mieć wpływ na dokładność uzyskanych wyników.

- Podczas obliczeń gęstości pozornych uwzględniono gęstość powietrza w temperaturze 20  ^oC. Wielkość zaczerpnięto z tablic chemicznych i różni się ona od wartości podawanej w encyklopediach.