Temat

Zależności temperaturowa współczynnika lepkości oraz anomalii płynności cieczy o lepkości strukturalnej.

Lepkość cieczy (zwana także tarciem wewnętrznym) stanowi jedną z podstawowych właściwości decydujących o jej zdolności tworzenia cienkich błonek na ściankach naczynia (np. w pro­cesie smarowania cylindra silnika) lub też tworzenia się małych kropelek aerozolu mieszanki paliwowo-powietrznej w gaźniku samochodu. Przyczyną powstania siły tarcia wewnętrznego między dwiema warstwami cieczy przemieszczającymi się względem siebie są głównie siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy, a także ruchy termiczne tychże cząsteczek. Zmiana pędu wywołana przejściem pewnej liczby cząstek z jednej warstwy cieczy do drugiej wywołuje popęd, czyli pojawia się na styku tych warstw siła tarcia wzajemnego. Siłę tarcia wewnętrznego między dwiema warstwami cieczy określa wzór Newtona. Z tego wzoru wynika definicja współczynnika lepkości n oraz jego jednostki. Lepkość cieczy zależy bardzo silnie od jej temperatury.

W literaturze fachowej podaje się szereg empirycznych lub półempirycznych zależności opisujących zależność współczynnika lepkości cieczy od jej temperatury. Najlepszą zgodność z wy­nikami doświadczalnymi uzyskuje się stosując wzór Sundersa

gdzie T oznacza bezwzględną temperaturę cieczy, A, B ­stale indywidualne zależne od rodzaju cieczy.

Iloczyn B*k_B (gdzie k_B - stała Boltzmanna) oznacza energię aktywacji cząsteczki, tj. energię niezbędną do przeskoku cząsteczki z chwilowego położenia równowagi. wokół którego wykonała pewną liczbę drgań, w inne położenie równowagi. Jest ona .pewną funkcją temperatury i ciśnienia. Czynnik A we wzorze w porównaniu z exp(B/T) , bardzo słabo zależy od temperatury. W niewielkim przedziale wartości temperatur oraz ciśnień wyrażenia A i B można przyjąć jako stale. Przy bardzo dużych ciśnieniach lepkość cieczy znacznie wzrasta z ciśnieniem, co tłumaczy się zwiększeniem energii aktywacji i odpowiednim zmniejszeniem się ruchliwości cząsteczek.

W przypadku substancji organicznych lepkość rośnie ze wzrostem masy molowej, Bardzo lepkie są substancje zawierające grupy polarne lub pierścienie w cząsteczce. Szczególnie dużą lepkością charakteryzują się smary, które zawierają węglowodory naftenowe. Lepkość ta gwałtownie zmniejsza się ze wzrostem temperatury. W roz­cieńczonych zawiesinach, emulsjach i roztworach koloidalnych lepkość n jest większa niż czystego rozpuszczalnika η₀ zgodnie ze wzorem Einsteina zmienia. się ze stopniem zapełnienia objętości ośrodka cząstkami fazy rozproszonej a (jest to stosunek objętości zajmowanej przez fazę rozproszoną do całkowitej objętości roztworu lub zawiesiny)

η = η₀(1 + aφ)

gdzie a = 2,5 - dla cząsteczek o kształcie kulistym oraz a > 2,5 - dla cząsteczek o wydłużonym kształcie.

Makrocząsteczki o bardzo wydłużonych kształtach mają tendencję do ustawiania się równolegle do kierunku przepływu cieczy .tym większą, im większy jest gradient prędkości w cieczy. Wpływa to na zmianę współczynnika lepkości, który wówczas zależy od gradientu prędkości.

Ciecze newtonowskie i nienewtonowskie

Ze względu na zachowanie się cieczy w zależności od szybkości ich deformacji można je podzielić na:

a) ciecze newtonowskie,

b) ciecze o lepkości strukturalnej (ciecze nienewtonowskie).

Za ciecze newtonowskie uważa się takie ciecze, dla których współczynnik lepkości nie zależy od szybkości ich deformacji. Należą do nich ciecze o małej lepkości (np. woda, alkohole, eter, węglowodory alifatyczne i aromatyczne o krótkich łańcuchach, wodne roztwory substancji nieorganicznych itp.), a także produkty ropy naftowej, jak nafta lub benzyna.

Przeważająca część cieczy nie jest cieczami newtonowskimi, co oznacza, że dla różnych naprężeń ściskających ciecz otrzymuje się różne lepkości. Wynika to ze struktury substancji, której cząsteczki mają kształt długich pasemek. Ich ułożenie i orientacja względem siły ścinającej daje odchylenia od proporcjonalności między lepkością a naprężeniem ścinającym. Do takich cieczy można zaliczyć wszelkiego rodzaju oleje silnikowe lub oleje jadalne, smary itp.

Zależność szybkości deformacji ośrodków o lepkości strukturalnej G (równoważnej gradientowi prędkości dv/dz) oraz lepkości η w zależności od naprężenia ścinającego P przedstawia rys., Krzywe typu 1 odpowiadają cieczom newtonowskim o stałej lepkości η, krzywe typu 2 przedstawiają ciecze mające strukturę, krzywe 3 1 3' - układy ciekłoplastyczne (podobne do cieczy) o wzrastającym stopniu tworzenia struktury. Ciecze mające pewną strukturę nie wykazują zasadniczo odkształceń sprężystych, ponieważ występujące w nich obszary strukturalne (agregaty, flokule) nie są wzajemnie połączone. Układy ciekłoplastyczne wykazują odkształcenia sprężyste jako wynik występowania sieci przestrzennej w całej objętości. Na krzywych 2 - 3 można rozróżnić dolną część odpowiadająca proporcjonalności G i P i w związku z tym o stałej lepkości η_max (do dolnej granicy trwałości struktury P_k ), środkową - odpowiadającą lepkości malejącej oraz górną -stałej

lepkości η_min przy strukturze całkowicie zniszczonej. Zjawisko polegające na niszczeniu struktury i przejściu od Celu do zolu nazywa się tiksotropią. Żele (galarety) to układy dyspersyjne wykazujące, ze względu na tworzenie przez fazę rozproszoną pewnej struktury przestrzennej, właściwości ciała stałego (szczególnie przy słabych oddziaływaniach mechanicznych nie niszczących tej struktury). Zole to roztwory koloidalne, w których cząsteczki fazy rozproszonej mogą się swobodnie względem siebie przemieszczać analogicznie jak drobiny w cieczach lub gazach. Mogą to być zawiesiny, emulsje lub aerozole.

Tiksotropię poznaje się po coraz krótszym czasie deformacji przy tym samym naprężeniu w kolejnych próbach. Po wielu próbach czas ten ustala się, co odpowiada osiągnięciu przez substancję struktury zolu. Tiksotropia jest charakterys­tyczna dla struktur koagulacyjnych, które można wielokrotnie niszczyć i które każdorazowo całkowicie odtwarzają po pewnym czasie swoje właściwości. Własności tiksotropowe mogą mieć smary, farby, lakiery, masy ceramiczne itp.

Aparatura do badania lepkości cieczy

Do badania współczynnika lepkości oraz anomalii płynności 'I:,; cieczy można zastosować między innymi reowiskozymetr Höpplera. Jego budowę przedstawia rysunku.

Budowa reowiskozymetru Höpplera ( 1 - belka wagowa, 2 - pręt z kulką, 3 - masa balastowa, 4 - naczyńko pomiarowe, 5 - szalka, 6 - trzonek zabezpieczający odważniki, 7 - czujnik przesunięć, 8 - przesuwna masa

wyrównawcza, 9 - mimośród do aretażu belki wagowej, 10 - libella, 11 - nóżki)

Na korpusie przyrządu, który należy na stanowisku pracy wypoziomować za pomocą śrub (11) przy obserwacji. wskazań libelli (10), przytwierdzony jest płaszcz wodny, do którego wprowadzono przez otwory zaopatrzone w szlify szklane naczyńka pomiarowe (4). Naczyńka te zabezpieczono przed zapyleniem specjalnymi wieczkami (13). Do płaszcza wodnego dołączone są ponadto króćce do podłączenia termostatu, a w pokrywie umocowany jest termometr kontrolny. Do korpusu przyrządu przytwierdzona jest poprzez łożysko kulkowe belka wagowa (1) z podziałką oraz przesuwną masą (8) wyrównawczą, za pomocą której kompensuje się siłę wyporu cieczy. Na belce umieszczona jest w określonej odległości od i osi obrotu szalka (5.), na której kładzie się obciążniki, a na jej końcu za pomocą śruby radełkowej przytwierdzone jest wahadełko, którego dolny koniec służy do zamocowania kulki na pręcie (2). Masa balastowa (3) śruby mocującej powoduje wychylenie wahadełka na zewnątrz i dociśnięcie belki do zewnętrznej ścianki naczyńka pomiarowego. Powoduje to przepływ I laminarny ośrodka wzdłuż kulki podczas pomiaru i zabezpiecza identyczną drogę pomiarową. Belka wagowa przenosi swoje ruchy, na nóżkę czujnika przesunięć (7), na którym może być odczytana droga przebyta przez kulkę w naczyniu pomiarowym.

Mimośród (9) służy do aretażu belki wagowej. Jej odaretowanie powoduje rozpoczęcie opadania kulki w naczyniu pomiarowym. Oprócz tego na korpusie przyrządu znajduje się trzonek (6) do nałożenia 6 różnych odważników (100, 50, 2x20, 10) skalowanych w jed­nostkach naprężenia ścinającego ponad centymetr kwadratowy [p/cm²). Jednostka ta jest równoważna 98,1 [N/m²]. Odważniki umożliwiają dobór naprężenia ścinającego między 10 a 200 p/cm² skokowo co 10 jednostek.

Reowiskozymetr Höpplera pozwala zmierzyć lepkości cieczy newtonowskich w zakresie 4*10^-3 - 4*10³ (kg/sm) w przedziale temperatur od minus 60°C do +120°C z dokładnością ±(1-2)% w za­leżności od zakresu pomiarowego. Wymagana ilość badanej substancji wynosi ok. 20 ml.

2

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

1

8

Badanie zależności temperaturowej współczynnika lepkości oraz anomalii płynności cieczy o lepkości strukturalnej.

---