POLITECHNIKA OPOLSKA
WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I LOGISTYKI
INŻYNIERIA BEZPIECZEŃSTWA - 2 ROK - 3 SEMESTR - 2013/2014

SPRAWOZDANIE - CHEMIA DLA INŻYNIERÓW - LABORATORIUM

Prowadzący: dr hab. inż. Janusz PAJĄK, prof. PO

Wykonał: Damian Bonar

Temat: Wyznaczanie lepkości bezwzględnej oleju metodą Hopplera

1. Zastosowanie smarów

Smary służą do zmniejszania tarcia między przesuwającymi się względem siebie powierzchniami, do zabezpieczania smarowanych powierzchni przed działaniem czynników zewnętrznych, a więc konserwacji tych powierzchni ( smary ochronne), oraz do poprawiania przewodności elektrycznej między stykami (smary kontaktowe).
Warstewka smaru wprowadzona pomiędzy trące o siebie powierzchnie zwalnia szybkość ścierania się ich i zmniejsza zużycie siły potrzebnej do pokonania tarcia, jeżeli warstewka smaru ma grubość większą od sumy nierówności obu powierzchni i wytrzymuje nacisk ich na siebie, to zamiast wzajemnego tarcia się tych powierzchni występować będzie jedynie dużo mniejsze wewnętrzne tarcie smaru.

2. Podział smarów

Smary można podzielić na grupy według ich konsystencji, pochodzenia oraz przeznaczenia. Zależnie od ich konsystencji smary można podzielić na stałe i ciekłe, czyli oleje smarowe.
Najważniejszą grupę olejów smarowych stanowią oleje mineralne otrzymywane z ropy naftowej jako destylaty lub z pozostałości podestylacyjnych. Duże znaczenie odgrywają oleje silikonowe, wielką ich zaletą jest mała zależność lepkości od temperatury przy równoczesnej wytrzymałości na długotrwałe działanie temperatury do 200^oC oraz odporności na działanie czynników chemicznych, mają również niskie temperatury krzepnięcia. Oleje silikonowe należą do grupy olejów syntetycznych.
Do olejów smarowych należą również niektóre oleje roślinne, jak olej rycynowy, oraz oleje zwierzęce, jak olej kostny.
Smary stałe są zazwyczaj mieszaninami olejów mineralnych z różnymi zagęszczającymi dodatkami, jak stałe węglowodory np. parafina, sole kwasów tłuszczowych, woski, żywice syntetyczne.
Dobór smarów uzależniony jest od warunków w jakich smar ma pracować. Tymi warunkami są: wzajemny nacisk trących o siebie powierzchni, szybkość i sposób ich wzajemnego przesuwania się, tworzywo, z jakiego zostały wykonane, temperatura pracy oraz inne.
W podziale smarów według ich przeznaczenia rozróżnia się bardzo wiele gatunków, jak oleje silnikowe, maszynowe, przekładniowe, cylindryczne, wrzecionowe, turbinowe

3. Właściwości smarów

- lepkość w przypadku olejów smarowych
- penetracja w przypadku smarów stałych.
Najlepszą możliwością jest wybieranie smaru o możliwie najmniejszej, ale wystarczającej w danych warunkach, lepkości i aby lepkość tego smaru jak najmniej zmieniała się z temperaturą.
- lotność ich składników w wyższych temperaturach. Powinna być jak najmniejsza, ponieważ utrata lotnych składników zmienia charakterystykę smaru.
-temperatura zapłonu i temperatura palenia. Służą do oceny smaru pod względem lotności jego składników i bezpieczeństwa przeciwpożarowego.
-gęstość. Lepkość i temperatura zapłonu smarów tego samego pochodzenia wzrasta zazwyczaj wraz ze wzrostem gęstości
- oznaczanie pozostałości po spopieleniu. Pozwala na ocenę zawartości składników mineralnych pochodzących z niedostatecznego oczyszczania smarów

4. Rodzaje lepkości

Lepkość cieczy jest właściwością związaną z tarciem wewnętrznym cieczy. Rozróżnia się lepkości:
- Lepkość dynamiczna (bezwzględna) η jest to współczynnik tarcia wewnętrznego powstającego podczas przesuwania się względem siebie dwóch równoległych warstewek cieczy. Jednostką lepkości dynamicznej w układzie SI jest 1 Pa * s.
- Lepkość kinetyczna (kinematyczna) v stosunek lepkości dynamicznej do gęstości cieczy oznaczonych w tej samej temperaturze. Jednostką lepkości kinematycznej jest 1 Stokes (1 St).
-Lepkość względna stanowi stosunek lepkości dynamicznej danej cieczy do lepkości dynamicznej wody w tej samej temperaturze.

Opis ćwiczenia

Do wewnętrznej rurki aparatu Hӧpplera nalewamy badany olej umieszczając wewnątrz odpowiednią kulkę. Przyrząd podłączamy do termostatu i ustawiamy odpowiednią temperaturę pomiaru (50°C). Podłączamy termostat do sieci elektrycznej. Kiedy ciecz w termostacie osiągnie właściwą temperaturę przyrząd Hӧpplera obracamy wokół osi o kąt 180°C ( po uprzednim odciążeniu zaczepu mocującego) i mierzymy czas opadania kulki w oleju między dwoma zaznaczonymi kreskami na rurce (A,B). Pomiar powtarzamy 12 razy.

Czas opadania kulki oblicza się jako średnią arytmetyczną z poszczególnych oznaczeń po odrzuceniu dwóch skrajnych pomiarów.

3. Część doświadczalna:

a) Parametry dla wybranej do doświadczenia kulki:

Nr kulki	Średnica kulki[mm]	Stała kulki [K=cP∙cm^3/g∙s]	Ciężar właściwy kulki w 20°C[g/cm^3]	Czas opadania kulki[s]	Lepkość[cP] przy max. czasie opadania 300s.
1.	15,805	~0,009	2,399	60	~0,6-5
2.	15,630	~0,07	2,406	30	~3-30
3.	15,560	~0,13	8,14	30	~25-250
4.	15,000	~1,2	8,14	30	~250-2500
5.	13,500	~11,1	7,73	30	~2500-25000
6.	10,000	~40,5	7,71	30	~8000-80000

Do doświadczenia użyto kulkę numer 3.

b) Tabela pomiarów.

L.P.	Czas [s]	Temp. [°C]
1.	60,2	50
2.	59,4
3.	60,0
4.	59,7
5.	58,8
6.	59,1
7.	58,9
8.	58,2
9.	59,2
10.	58,8
11.	59,2
12.	61,5

By temperatura w cieczy miała 50 ^oC, regularnie przyrząd podłączano do termostatu i do sieci elektrycznej, w trakcie mierzenia czasu doświadczenia, by spadek temperatury w przyrządzie nie wpłynął na badany wynik.

Obliczamy średni czas opadania kulki odrzucając dwa skrajne czasy, czyli:
czas numer 8 (58,2 s) oraz czas numer 12 (61,5 s)

średni czas spadku kulki wynosi 59,33 s

c) lepkość badanego oleju
η= t (ρ₁-ρ₂) · K

gdzie:
η - lepkość dynamiczna
t - czas opadania kulki
ρ₁ - ciężar właściwy kulki w 20 ^oC
K - stała kulki [ cP * cm³ / g*s ]
ρ₂ - ciężar właściwy oleju w temp. pomiaru

ρ₂ = 0,82 (wartość obliczona z odpowiedniej tabelki)

P - puaz
cP - centy puaz

1 P = 1 $\frac{dyn*s}{cm^{2}}$ = 1 $\frac{g}{cm*s}$
1 Pa * s = 10 P
1 cP = 1 mPa·s

η = 59,33 * ( 8,14 - 0,82 ) * 0,13 [$s*\frac{g}{\text{cm}^{3}}$ * $\frac{cP*\text{cm}^{3}}{g*s}$ ]

η = 59,33 * 7,32 * 0,13 [cP]

η = 56,45 [cP]

Lepkość badanego oleju wynosi η = 56,45 [cP]

56,45 [cP] = 0,5645 [P]

Wnioski:
W doświadczeniu wyznaczaliśmy gęstość bezwzględną badanego oleju, czyli lepkość. Dzięki niej można się dowiedzieć jak badana ciecz ma wpływ na tarcie. Współczynnik tarcia wewnętrznego powstającego podczas przesuwania się względem siebie dwóch równoległych warstewek cieczy wynosi 56,45 [cP].

Szczególną uwagę w eksperymencie należało zwrócić na to by temperatura w przyrządzie miała 50 ^oC (by jej spadek, nie wpłynął na czas spadania kulki).
Dodatkowo należało skoncentrować się na dokładnym pomiarze za pomocą stopera.

W motoryzacji:
Ważnym z punktu widzenia użytkowego jest zmiana lepkości oleju z temperaturą pracy, którą odzwierciedla wskaźnik lepkości. Za najlepsze oleje spełniające wymagania stawiane im przez konkretny silnik, uznaje się takie, które mają niską lepkość w temperaturze 50^oC, a jednocześnie wysoki W.L. (>100). Wysoki W.L. (uniwersalność, wielosezonowość) zapewnia płaski przebieg charakterystyki lepkościowej. Im mniej zmienia się lepkość, tym wartość użytkowa oleju jest lepsza.
Obniżanie lepkości oleju zapewnia jedną ewidentną korzyść: możliwość łatwego rozruchu silnika w coraz niższych temperaturach, aż do -40°C.