Grupa: 22 Zespół: 1	Ćwiczenie: 3	Data: 26.03.97
1. Szczepan Bednarz 2. Magdalena Kępczyńska 3. Jarosław Zbroszczyk	Temat: Pomiar lepkości cieczy metodą H*pplera i Ostwalda. Określanie wpływu temperatury na lepkość cieczy.	Ocena:

I. Część teoretyczna.

Lepkość jest właściwością materii charakterystyczną dla stanu ciekłego i gazowego. Na skutek istnienia sił kohezji (spójności pomiędzy cząstkami płynu) przesuwanie się względem siebie cząsteczek wymaga pokonania pewnej siły wynikającej z oddziaływań międzycząsteczkowch. W przypadku cieczy chodzi głównie o ddziaływania elektrostatyczne, a dla gazów zjawisko to wynika nie tyle z oddziaływań Van der Waalsa ile ze zderzeń swobodnych atomów. Wynika z tego, iż lepkość cieczy maleje wraz ze wzrostem temperatury (Cząsteczki obdarzone większą energią bardziej drgają, mają większą swobodę ruchu), a lepkość gazów rośnie proporcjonalnie do zmian temperatury (im większa energia cząsteczek tym silniejsze i częstsze są zderzenia między nimi, a więc opory związane ze zderzeniami są większe).

Siły F powodujące wystąpienie lepkości są styczne do powierzchni warstwy i zależą od jej pola A oraz od gradientu prędkości przepływających warstw dV/dx.

gdzie:

 - współczynnik lepkości dynamicznej.

Współczynnik lepkości na wymiar [N⋅s/cm²] i jest to wartość siły działającej na jednostkę powierzchni wyrażonej w N/cm², która wywołała powstanie różnicy prędkości równej 1 cm/s między warstwami oddalonymi od siebie o 1 cm, w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu. Współczynnik lepkości wyrażamy w puazach (1P = 0.1 N⋅s/m²).

Lepkość roztworów jest inna niż lepkość czystych składników. O ile w roztworze nie zachodzą żadne reakcje chemiczne lepkość można traktować w przybliżeniu jako wielkość addytywną.

Lepkość można wyznaczyć:

- na podstawie natężenia przepływu cieczy w rurce kapilarnej podczas przepływu laminarnego. Przy takim przepływie stosuje się równanie Poiseuille'a:

- poprzez pomiar względny (w wiskozymetrze Ostwalda - rys. 2.), polegający na oznaczaniu stosunków lepkości dwóch cieczy względem siebie ,przy czym lepkość jednej z nich jest dla nas znana;

- poprzez pomiar lepkości na podstawie czasu opadania kulki o znanych parametrach w badanej cieczy (w wiskozymetrze H*pplera - rys. 1.). Na kulkę poruszającą się jednostajnie w badanej cieczy działa siła wyporu A, siła ciężkości G oraz siła oporu wynikającego z rodzaju ośrodka R:

Rys. 1. Wiskozymetr H*pplera: Ar - śruba aretująca; K1, K2 - zakrętki; R - rura pomiarowa z nacięciami A, B, C; P - płaszcz zewnętrzy szklany do termostatowania; G - wlot i  wylot wody z ultratermostatu; O - oś obrotu prostopadła do rury pomiarowej

Rys. 2. Wiskozymetr Ostwalda: A, B - zbiorniczki, h1, h2 - poziomy górny i dolny (badanej cieczy)

Ćwiczenie ma na celu umożliwić nam wyznaczenie zależności lepkości badanej cieczy od temperatury pomiaru. W doświaczeniu używamy roztworu glikolu etylenowego o nieznanym stężeniu. Wykonujemy także pomiar lepkości względnej (cieczą wzorcową jest woda) w temperaturze 19.5 *C.

Pomiaru lepkości roztworu glikolu w zależności od temperatury dokonujemy w wiskozymetrze H*pplera (rys. 1.). Jego zasadniczą częścią jest rurka wypełniona badaną cieczą, osłonięta płaszczem połączonym z termostatem. Do rurki, po uprzednim nalaniu cieczy wrzucamy kulkę o dokładnie znanych parametrach (gęstość, średnica). Czas swobodnego przesuwu kulki w słupie cieczy o znanej wysokości jest zależny od lepkości cieczy oraz od różnicy gęstości kulki i cieczy:

h = K* t* (d_k - d_c)

gdzie:

K - stała kulki;

d_k ,d_c - gęstość kulki i cieczy;

t - czas przepływu kulki.

Pomiaru lepkości względnej dokonujemy w aparacie Ostwalda (rys. 2.). Jest to przyrząd w kształcie U-rurki, w którym znajduje się dokładnie znana objętość cieczy, która przepływa przez cieniutką kapilarkę. Mierzymy czas przepływy cieczy badanej i wzorcowej, od poziomu h₁ do h₂. Stosunek iloczynów czasów przepływu i gęstości cieczy jest równy stosunkowi lepkości tych cieczy:

II. Część obliczeniowa:

Wyniki pomiarów wg. metody H*pplera:

-

t [*C]	τ [s]				τśr [s]
13.0	8.65	8.70	8.80	8.60	8.69
24.0	5.70	5.90	6.00	5.80	5.85
35.0	5.60	5.20	5.60	5.20	5.40
44.5	4.40	4.70	4.50	4.50	4.52
54.0	4.20	4.10	4.05	4.00	4.09
64.0	3.75	3.80	3.80	3.85	3.80
72.0	3.40	3.60	3.60	3.70	3.58

- dla wody:

t [*C]	τ [s]						τśr [s]
13.0	3.50	3.50	3.50	3.30	3.40	3.40	3.43

- średnica kulki używanej w wiskozymetrze (2R = 15.60 mm)

- masa suchego piknometru (m_pk = 19,2790 g)

- masa piknometru z wodą (m_pk-w = 43,7609 g)

• masa piknometru z roztworem 30% (m_{pk-r 30%} = 44,6245 g)

• masa piknometru z roztworem 40% (m_{pk-r 40%}=44,8565 g)

Obliczamy gęstość roztworu:

Parametry kulki do wiskozymetru H*pplera - przy średnicy kulki (2R = 15.60 mm):

- masa (m = 4.9473g)

- gęstość (ρ_k = 2.394g/cm³)

- stała (K = 0.010181)

Obliczamy lepkość (_glikolu) roztworu glikolu:

Obliczamy lepkość (_wody) wody dla 13 °C:

Wyniki pomiarów wg. metody Ostwalda:

Ciecz	τ [s]					τśr [s]
glikol	14.00	13.90	13.70	14.10	14.10	13.96
woda	6.60	6.60	6.20	6.30	6.20	6.38

- objetość cieczy (V = 25 cm³)

- temperatura pomiaru (T = 19.5 °C)

Obliczamy lepkość (_glikolu) roztworu glikolu:

Graficzne przedstawienie uzyskanych zależności lepkości roztworu glikolu od temperatury:

Wnioski:

Wyników nie możemy przyrównywać do wartości tablicowych lepkości glikolu etylenowego, ponieważ nie używaliśmy w ćwiczeniu glikolu etylenowego cz.d.a. Używany przez nas roztwór glikolu miał gęstość ρ=1.0774g/cm³, a glikol cz.d.a. ma gęstość ρ=1.1135g/cm³, stąd też lepkość naszego roztworu glikolu jest inna. W przypadku pomiaru lepkości metodą Ostwalda przez pomyłkę pomiaru dokonaliśmy dla temperatury T = 19.5 °C, dla której to nie dokonaliśmy pomiaru według metody H*pplera, w wyniku czego nie mogliśmy przyrównać dokładności obu metod. Jednak wynik końcowy lepkości w metodzie Ostwalda (115.10 Ns/cm²) przy temperaturze T = 19.5 °C jest praktycznie identyczny jak dla lepkości w metodzie H*pplera (116.48 Ns/cm²) przy temperaturze T = 13.0 °C. Powyższe porównanie obu metod świadczy o tym, że jedna z nich jest mniej dokładna.

Literatura.

1. Sobczyk L., Kisza A., Gatner K., Koll A.: Eksperymentalna chemia fizyczna. PWN, Warszawa 1982.

2. Nowak M., Szopiński J., Wójtowicz A.: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej. Część I. Właściwości cieczy i równowagi fazowe. Skrypt uczelniany Politechniki Krakowskiej, Kraków 1991.

Pomiar lepkości cieczy metodą H*pplera i Ostwalda. Określanie wpływu temperatury na lepkość cieczy

- 3 -

---