WŁASNOŚCI FIZYCZNE CIECZY

1. Temat ćwiczenia

Tematem ćwiczenia jest poznanie wybranych metod wyznaczania lepkości cieczy oraz jej zmian w zależności od temperatury.

2. Wprowadzenie teoretyczne

Lepkość cieczy jest własnością, która w zasadniczy sposób wpływa na jej zachowanie w ruchu (np. na wielkość oporów). Dlatego umiejętność prawidłowego jej określenia i zależności od temperatury ma w mechanice płynów istotne znaczenie.

Lepkością nazywana jest zdolność cieczy do przenoszenia naprężeń stycznych przy wzajemnym przemieszczaniu cząstek poruszających się z różnymi prędkościami.

Miarą lepkości są jej współczynniki: dynamiczny μ i kinematyczny . Dynamiczny współczynnik lepkości μ jest wprost proporcjonalny do naprężeń stycznych (panujących pomiędzy warstwami cieczy) i odwrotnie proporcjonalny do gradientu prędkości

,

stąd

,
(1.1)

Natomiast kinematyczny współczynnik lepkości ν określony jest zależnością

(1.2)

W omawianym doświadczeniu będzie on wyznaczany za pomocą wiskozymetru (lepkościomierza) Englera (rys. 1.2) i obliczany z przybliżonego wzoru doświadczalnego w zależności od względnego kinematycznego współczynnika lepkości ε

,
(1.3)

gdzie:

[E], (1.4)

t - czas wypływu określonej ilości cieczy ze zbiornika lepkościomierza Englera,

t₀ - czas wypływu określonej ilości cieczy wzorcowej (np. wody destylowanej).

3. Opis przyrządów pomiarowych

Lepkościomierz (wiskozymetr) Englera (rys. 1.2) składa się z trzech podstawowych części: naczynia pomiarowego (1), odbieralnika (9) i termometrów (8). Naczynie pomiarowe lepkościomierza Englera, wewnątrz polerowane i złocone, umieszczone jest w kąpieli wodnej (2), wyposażonej w mieszadło (3), zapewniającej stabilizację temperatury badanej cieczy w trakcie trwania pomiarów. Naczynie pomiarowe przykrywane jest specjalną termoizolującą pokrywą. Elektryczny grzejnik o mocy 400 W i ręczne mieszadło, pozwalają dostosować temperaturę kąpieli wodnej do temperatury badanej cieczy. Lepkościomierz zmontowany jest na specjalnej podstawie. Śruby umieszczone w stopkach trójnogu służą do poziomowania przyrządu. Na bocznej ścianie naczynia pomiarowego umieszczone są trzy ostrza (6), według których ustala się poziom odpowiadający 240 cm³ badanej cieczy. Kapilara ze stali kwasoodpornej (4) o znormalizowanych wymiarach umieszczona jest w środku części dennej naczynia pomiarowego. Do zamykania otworu kapilary służy zatyczka (5) osadzona przesuwnie w pokrywie naczynia pomiarowego. Termometry (8) umieszcza się w lepkościomierzu w odpowiednim tubusie i uchwycie. Termometr zewnętrzny - w uchwycie; termometr wewnętrzny - w skośnym tubusie, umieszczonym w pokrywie naczynia pomiarowego.

Do odbioru wypływającej z lepkościomierza cieczy, służy specjalne, szklane naczynie pomiarowe, wycechowane na objętość 200 cm³ w temperaturze 293 K (20°C). Kołowa rysa odpowiadająca wymienionej pojemności jest naniesiona na szyjkowatym przewężeniu naczynia.

Rys. 1.2. Budowa wiskozymetru Englera

Termometry oznaczone symbolami E₁ i E₂ służą do pomiarów temperatury kąpieli wodnej i badanej cieczy w naczyniu pomiarowym.

Zmienność ciśnienia na wlocie do kapilary w czasie trwania pomiaru, wynikająca z konstrukcji lepkościomierza Englera powoduje, że bezpośredni pomiar współczynników lepkości byłby bardzo skomplikowany. Daleko łatwiej jest wykonać pomiar porównawczy, tj. porównać lepkość badanej cieczy z lepkością cieczy wzorcowej w określonych warunkach ciśnienia i temperatury. Jako ciecz wzorcową przyjęto wodę destylowaną w temperaturze 293 K (20°C) i przy ciśnieniu 101,325 kPa .

Czas wypływu 200 cm³ cieczy wzorcowej z tego lepkościomierza określono jako 1 stopień Englera (E). Czas ten powinien zawierać się w granicach 50-52 s.

4. Sposób wykonywania POMIARÓW

W celu określenia kinematycznego współczynnika lepkości należy na wstępie ogrzać badaną ciecz do temperatury zbliżonej do tej, w której ma być wykonany pomiar. Ogrzaną ciecz należy przesączyć przez sito o oczkach 200 μm lub 250 μm. Równocześnie trzeba ustalić temperaturę kąpieli wodnej:

1. przy temperaturze badania 293 K (20°C) - na 292,9 K (19,9°C) lub 293,1 K (20,1°C) (w zależności od temperatury otoczenia),

2. przy temperaturze badania 323 K (50°C) - na 323,2 K (50,2°C),

3. przy temperaturze badania 373 K (100°C) - na 374 K (101°C).

Przed rozpoczęciem pomiarów lepkościomierz musi być spoziomowany. W tym celu do naczynia pomiarowego trzeba nalać 240 cm³ badanej cieczy. Następnie manipulując śrubami w stopach trójnogu tak ustawić przyrząd, aby ostrza 3 haczyków umieszczonych na ściance naczynia pomiarowego były ledwo widoczne na menisku cieczy.

Po ustaleniu się temperatury badanej cieczy podnosi się zatyczkę zamykającą otwór kapilary i równocześnie włącza się stoper.

Ciecz wypływa do ustawionego uprzednio odbieralnika. Mierzy się czas wypływu 200 cm³ badanej cieczy. Wyniki pomiarów należy przedstawić w formie tabelarycznej.

Po skończonym pomiarze ciecz wypływa w dalszym ciągu aż do całkowitego opróżnienia naczynia pomiarowego. Wówczas poziom cieczy w odbieralniku powinien być na wysokości rysy 240 cm³, co stanowi kontrolę prawidłowego napełniania naczynia pomiarowego (istnieją odbieralniki, w których nie jest oznaczona objętość 240 cm³, co uniemożliwia przeprowadzenie kontroli).

W czasie pomiaru temperatura kąpieli wodnej powinna być stała. W przypadku badania olejów o dużej lepkości strumień cieczy przerywa się, a olej wypływa kroplami. Można wówczas zmierzyć czas wypływu zmniejszonej objętości cieczy. W tym przypadku dla otrzymania poprawnego wyniku należy zastosować współczynniki korygujące.

Właściwy czas wypływu 200 cm³ cieczy oblicza się z czasu wypływu zmniejszonej objętości, mnożąc ten ostatni przez następujące współczynniki:

• dla czasu wypływu 100 cm³ - mnożnik 2,329,

• dla czasu wypływu 50 cm³ - mnożnik 4,937,

(istnieją odbieralniki, w których nie oznaczono objętości 100 cm³ i 50 cm³, co uniemożliwia przyspieszenie wykonania pomiarów dla cieczy o dużej lepkości).

Na podstawie wzoru (1.4) określa się względny kinematyczny współczynnik lepkości wyrażony w stopniach Englera, a następnie na podstawie wzoru (1.3) można obliczyć kinematyczny współczynnik lepkości.

Obliczenie wartości  dla kilku temperatur badanej cieczy pozwala na wykreślenie zależności = (T).

W tym celu należy zmieniać temperaturę kąpieli wodnej, w której zanurzone jest naczynie pomiarowe oraz temperaturę badanej cieczy. W trakcie pomiarów należy zwracać uwagę na wyrównanie temperatur w całym naczyniu. Ten ostatni warunek sprawdza się wykonując kilka powtórzeń pomiaru czasu wypływu cieczy przez otwór kapilary. Różnice pomiędzy tymi czasami powinny mieścić się w granicach błędu dopuszczalnego.

1.5. Uwagi końcowe

Warunkiem uzyskania poprawnych wyników jest przestrzeganie następujących wskazań:

• całkowite opróżnienie wiskozymetru po każdym pomiarze,

• wyrównanie temperatur badanej cieczy w naczyniu wiskozymetru i w kąpieli wodnej.

Zakres wykonywanego ćwiczenia oraz rodzaj badanej cieczy określa osoba prowadząca zajęcia.

1. Własności fizyczne cieczy

- 1 -

---