Ćwiczenie nr 2: Badanie zależności lepkości roztworów od stężenia za pomocą wiskozymetru kapilarnego Ubbelohde’a	8.11.2012

I Definicje:

Lepkość cieczy – tarcie wewnętrzne, wiskoza; pojawienie się siły tarcie pomiędzy warstwami cieczy lub gazu poruszającymi się równolegle względem siebie z różnymi co do wartości prędkościami. Warstwa poruszająca się szybciej działa przyspieszająco na warstwę poruszającą się wolniej odwrotnie.

- gradient prędkości

- lepkość cieczy
S - pole powierzchni warstwy cieczy

Współczynnik lepkości – η równy co do wartości sile stycznej do powierzchni styku warstw, która (siła) przyłożona do jednostki powierzchni spowoduje jednostajny przepływ z jednostkową prędkością

Zależność lepkości cieczy od temperatury i stężenia:

- spada temperatura , wzrasta lepkość (odwrotnie proporcjonalnie)

- wzrasta stężenie, wzrasta lepkość (wprost proporcjonalnie)

Graniczna liczba lepkościowa – określana jako granica, do której dąży stosunek lepkości właściwej do stężenia roztworu [cm³/g]

Lepkość względna – stosunek lepkości danej cieczy do lepkości cieczy wzorcowej – zwykle wody. W przypadku roztworu cieczą wzorcową jest czysty rozpuszczalnik.

Ciecze newtonowskie – ich lepkość zależy od własności substancji tworzących płyn i jego parametrów termodynamicznych takich jak temperatura i ciśnienie; ich lepkość nie zależy od szybkości ścinania gradientu prędkości

Ciecze nienewtonowskie – płyny nie spełniające hydrodynamicznego prawa Newtona; lepkość tych cieczy nie jest wartością stałą w warunkach izobarycznych i ich wartość zmienia się w czasie

Metody wyznaczania lepkości:

1. Metoda Stockes’a – polega na pomiarze prędkości opadania kulki w badanej cieczy, na którą działają: siła ciężkości, siła tarcia wewnętrznego i wyporu hydrostatycznego

Miarą lepkości jest prędkość opadania kulki w badanym ośrodku pod wpływem stałej siły zewnętrznej

1. Metoda wiskozymetru kapilarnego – za pomocą wiskozymetru kapilarnego można zmierzyć lepkość względną roztworów, która umożliwia wyrażenie zależności między lepkością roztworów a ich stężeniem. Pomiar lepkości względnej cieczy wiskozymetrem kapilarnym to pomiar czasu przepływu cieczy badanej i wzorcowej.

2. Metoda wiskozymetru rotacyjnego Zimm’a-Grothers’a – najważniejszą częścią tego wiskozymetru jest współosiowy układ 2 metalowych cylindrów: zewnętrzny to zbiornik pomiarowy badanej cieczy, wewnętrzny obracający się cylinder jest połączony z elektryczno-mechanicznym wziernikiem, którego wskazanie jest proporcjonalne do lepkości cieczy wypełniającej przestrzeń pomiędzy ścianami obu cylindrów.

Miara lepkości jest wartość siły działającej między cylindrami.

II Przebieg ćwiczenia:

Materiały i przyrządy:

- wiskozymetr kapilarny Ubbelohde’a

- stoper

- ciecz wzorcowa: woda (brak wody destylowanej!)

- roztwory gliceryny: 5%, 10%, 15% i X%

1. Napełnienie wiskozymetru kolejno roztworami gliceryny 5%, 10%, 15%, X%. Zmierzenie czasu przepływu cieczy jednokrotnie dla każdego roztworu.

2. Przepłukanie wiskozymetru ciepłą wodą. Zmierzenie czasu dla wody.

III Wyniki:

Substancja badana	Gliceryna 5%	Gliceryna 10%	Gliceryna 15%	Gliceryna X%	Woda
Czas przepływu [s]	230	236	271	231	208

Obliczamy n_wzgl ze wzoru:

gdzie: d, d₀ to gęstość cieczy badanej i wzorcowej,

t, t₀ to czas przepływu przez kapilarę wiskozymetru cieczy badanej i wzorcowej

Roztwór gliceryny [%]	5%	10%	15%
Gęstość [g/cm^3]	1,01188	1,02370	1,03605
nwzgl (wyniki zaokrąglone)	1,1189	1,1615	1,3499

IV Wykresy:

X% = 5,17

Obliczamy n_wzgl dla X% (przyjmując gęstość dla roztworu gliceryny 5%):

n_{wzgl X%} = 1,1238

V Błędy pomiarowe

Porównujemy uzyskane wyniki lepkości z wartościami tablicowymi:

Roztwór gliceryny [%]	5%	10%	15%
Lepkość w 20^oC (wartość tablicowa)	1,143	1,311	1,517

Określamy błąd bezwzględny i względny:

1. dla roztworu 5%:

błąd bezwzględny: Δx = |1,143 – 1,1189| = 0,241

błąd względny: δ = 0,241/1,143 x 100% = 21,08%

1. dla roztworu 10%:

błąd bezwzględny: Δx = |1,311 – 1,1615| = 0,1495

błąd względny: δ = 0,1495/1,311 x 100% = 11,4%

1. dla roztworu 15%

błąd bezwzględny: Δx = |1,517 – 1,3499| = 0,1617

błąd względny: δ = 0,1617/1,517 x 100% = 11,02%

V Wnioski:

- błędy pomiarowe wynikają ze zbyt małej liczby powtórzeń pomiaru dla każdej cieczy

- błędy pomiarowe mogą wynikać również z braku wody destylowanej jako cieczy wzorcowej i zastosowania zamiennie wody wodociągowej

- czas przepływu roztworów wzrasta liniowo wraz ze stężeniem

- lepkość względna roztworów wzrasta liniowo wraz ze stężeniem