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:
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
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.
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%
Napełnienie wiskozymetru kolejno roztworami gliceryny 5%, 10%, 15%, X%. Zmierzenie czasu przepływu cieczy jednokrotnie dla każdego roztworu.
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 nwzgl 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/cm3] | 1,01188 | 1,02370 | 1,03605 |
nwzgl (wyniki zaokrąglone) | 1,1189 | 1,1615 | 1,3499 |
IV Wykresy:
X% = 5,17
Obliczamy nwzgl dla X% (przyjmując gęstość dla roztworu gliceryny 5%):
nwzgl X% = 1,1238
V Błędy pomiarowe
Porównujemy uzyskane wyniki lepkości z wartościami tablicowymi:
Roztwór gliceryny [%] | 5% | 10% | 15% |
---|---|---|---|
Lepkość w 20oC (wartość tablicowa) | 1,143 | 1,311 | 1,517 |
Określamy błąd bezwzględny i względny:
dla roztworu 5%:
błąd bezwzględny: Δx = |1,143 – 1,1189| = 0,241
błąd względny: δ = 0,241/1,143 x 100% = 21,08%
dla roztworu 10%:
błąd bezwzględny: Δx = |1,311 – 1,1615| = 0,1495
błąd względny: δ = 0,1495/1,311 x 100% = 11,4%
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