LEPKOŚĆ. D średnica rury, V średnia prędkość cieczy w rurze, d gęstość cieczy, η (czyt. eta ) lepkość dynamiczna.

Transkrypt

1 LEPKOŚĆ Opracowanie: r Urszula Lelek-Borkowska Płyn substancja ciekła, gazowa lub proszek, który ma zolność płynięcia, czyli owolnej zmiany kształtu oraz swobonego przemieszczania, np. przepompowywania. Rozróżniamy wa główne rozaje przepływu płynów: przepływ laminarny (warstwowy) płyn porusza się równoległymi warstwami (strugami), których trajektorie się nie przecinają, przepływ turbulentny (burzliwy) płyn ulega zawirowaniom, przepływ zmienny w czasie. Parametrem ecyującym o charakterze przepływu jest wyznaczana w sposób empiryczny bezwymiarowa liczba Reynolsa: Re DV η gzie: D śrenica rury, V śrenia prękość cieczy w rurze, gęstość cieczy, η (czyt. eta ) lepkość ynamiczna. Jak stwierzono oświaczalnie, gy liczba Reynolsa jest mniejsza o 00, przepływ jest przepływem laminarnym, la - zaś la wartości większych niż burzliwym. Przepływ charakteryzowany liczbą Reynolsa pomięzy tymi wartościami ( ) jest truny o określenia. (a) (b) Rys.. Przepływ cieczy przez rurę: (a) przepływ burzliwy turbulentny, (b) przepływ laminarny czyli lepki. Rys.. Warstwy płynu poruszające się równolegle. Jeśli wie warstwy cieczy, każa o powierzchni A, oalone o oległość x poruszają się wzglęem siebie, to siła potrzebna o naania jenej z warstw prękości większej o v wyraża się wzorem: V F ηa gzie: F siła, x A powierzchnia, x oległość mięzy warstwami, v różnica prękości, η lepkość ynamiczna. Lepkość opór hamujący występujący (tarcie wewnętrzne) poczas przemieszczania się cząsteczek płynu wzglęem siebie. Jenostką lepkości jest puaz [P] (w ukłazie SI N s m ) Pojęciami pochonymi o lepkości ynamicznej są płynność, która jest owrotnością lepkości ynamicznej η. = Lepkość kinematyczna (czyt. ni) efiniowana jako stosunek lepkości ynamicznej o gęstości cieczy : [P/g cm = St] gzie: P puaz, St stokes (czyt. sztołks). Zasaa ziałania wiskozymetrów kapilarnych opiera się na prawie Poiseuille a (czyt. puazona), weług którego objętość cieczy V przepływająca w czasie t przez kapilarę o promieniu r i ługości l po wpływem różnicy ciśnień p wynosi: V 4 r pt 8 l gzie: r promień rury, p różnica ciśnień, t czas przepływu η lepkość ynamiczna, l ługość rury.

2 Tab.. Lepkość wybranych płynów. Ciecz Współczynnik lepkości [cp=0 - P] (war. stanarowe) aceton 0.06 benzen olej rycynowy 985 etanol.074 glikol etylenowy 6.0 gliceryna (0 o C) 00 rtęć.56 olej silnikowy SAE 0 (0 C) 65 olej silnikowy SAE 40 (0 C) 9 ciekły azot (77K = -96 o C) 0.58 oliwa z oliwek 8 pak (smoła). 0 woa (0 C) Przykłaem wiskozymetru kapilarnego jest wiskozymetr Ostwala (rys.), w którym ciecz przepływa przez kapilarę po wpływem różnicy ciśnień hyrostatycznych w obu ramionach U-rurki. Aby różnica poziomów (h - h ) była w obu przypakach taka sama, wiskozymetr Ostwala należy zawsze napełniać taką samą objętością cieczy. Tę nieogoność wyeliminowano w zmoyfikowanej konstrukcji wiskozymetru Ostwala - wiskozymetru Ubbelohe (ubeloa), którym posługujemy się w ćwiczeniu. Do pomiaru lepkości kinematycznej metoą opartą na prawie Stokesa służy wiskozymetr Höpplera (rys. 4). W wiskozymetrze tym mierzy się czas, w którym kulka przebywa rogę mięzy zaznaczonymi kreskami w cieczy wzorcowej i w cieczy baanej. Kulka opaa po wpływem siły grawitacji, pomniejszonej o siłę wyporu, szybkość opaania spowalnia opór hamujący czyli lepkość. C B A Rys..Wiskozymetr kapilarny Ubbelohe. Rys. 4. Wiskozymetr Höplera. Pomiar lepkości ynamicznej za pomocą wiskozymetru Ubbelohe jest metoą wzglęną. Mierzy się lepkość cieczy baanej wzglęem cieczy wzorcowej woy. Mierzy się czas wypływu woy, a następnie cieczy baanej z pojemniczka w górnej części wiskozymetru pomięzy zaznaczonymi poziomami. Znając lepkość i gęstość woy można wyliczyć lepkość cieczy baanej ze wzoru: gzie: 0 gęstość woy, t 0 czas wypływu woy, x t x η 0 lepkość woy, x 0 x gęstość cieczy baanej, 0 t0 t x czas wypływu cieczy baanej, η x lepkość cieczy baanej.

3 Lepkość cieczy na ogół zmienia się znacznie wraz z temperaturą. W miarę wzrostu temperatury, w wyniku zwiększania się energii kinetycznej cząsteczek, zmniejszają się siły przyciągania ziałające mięzy cząsteczkami, efektem jest zmniejszenie się tarcia wewnętrznego. Gazy zachowują się owrotnie: wraz ze wzrostem temperatury ich lepkość wzrasta, ponieważ wzrasta liczba zerzeń mięzy cząsteczkami. Zmianę lepkości ze wzrostem temperatury poaje empiryczne równanie Arrheniusa - Guzmana i ma ono postać funkcji wykłaniczej: RT EA Ae gzie : A wielkość charakterystyczna la anej cieczy, E A energia aktywacji przepływu, R uniwersalna stała gazowa (8, J/mol K). Najważniejsze zaganienia (pytania). Lepkość efinicje i jenostki.. Warunki przepływu laminarnego i turbulentnego.. Metoy pomiaru lepkości zasay pomiaru. 4. Zależność lepkości o temperatury. Równanie Arrheniusa 5. Znaczenie lepkości w praktyce. Literatura P.W. Atkins: Postawy chemii fizycznej, PWN Warszawa 00, G.M. Barrow: Chemia fizyczna, PWN Warszawa 976, R. Bricka: Postawy chemii fizycznej, PWN Warszawa 970.

4 OPIS DOŚWIADCZENIA Ćwiczenie. Wyznaczanie lepkości roztworów gliceryny Sprzęt: - wiskozymetr, - termostat, - piknometr, - pipeta, - lejek, - waga, - 4 zlewki, Oczynniki: - gliceryna - woa estylowana Opis ćwiczenia. Zważyć piknometr wypełniony całkowicie woą estylowaną, a następnie roztworem gliceryny. Wyniki umieścić w tabeli na arkuszu sprawozania. Na postawie gęstości określić stężenie roztworu gliceryny. Umieścić wiskozymetr w łaźni wonej, nastawić temperaturę na 0 o C. Napełnić zbiorniczek wiskozymetru o wysokości około / wlewając przez otwór C woę estylowaną za pomocą pipety. Zatkać palcem otwór B i za pomocą strzykawki ponieść ciecz w rurce A o zbiorniczka wyrównawczego, który znajuje się powyżej zbiorniczka pomiarowego. Puścić palec i mierzyć czas przepływu cieczy ze pomięzy czerwonymi kreskami górną i olną. wykonać po trzy pomiary. Wykonać pomiary czasu przepływu w analogiczny la roztworu gliceryny w temperaturach: 0 o C, 40 o C, 50 o C. Wyniki zapisać w opowieniej tabeli na arkuszu sprawozania. Sporzązić wykres w ukłazie współrzęnych log η = f (/T) i sprawzić, czy zależność jest liniowa (umieścić wartość współczynnika korelacji R na wykresie). Jeżeli zależność jest liniowa - obliczyć energię aktywacji przepływu lepkiego, rozwiązując równanie prostej weług zależności (postać logarytmiczna równania Arrheniusa Guzmana): E log loga,,rt Równanie prostej: y = ax + b, gzie y = log η, x = /T, nachylenie prostej a = E/,R, b = log A. Tabela. Gęstość i lepkość woy T [K] [g/cm ] [cp] Tabela. Zależność gęstości roztworu wonego gliceryny o stężenia. Temperatura 0 0 C. % wagowy gliceryny gęstość roztworu [g/cm ] ,0,047,07,099,6,5,80,08,5,6 4

5 0. /. Wyz. Nazwisko, imię Popis prowazącego Gr. Temat: LEPKOŚĆ Ćw.. Wyznaczanie lepkości roztworów gliceryny Ciecz m p+c m cieczy (m p+c m p ) [g/cm ] woa estylowana roztwór gliceryny m p+c masa piknometru z cieczą, m p masa suchego piknometru (poaje prowazący ćwiczenie) ) Obliczyć gęstość roztworów gliceryny z zależności: mcieczy woy cieczy m ) Obliczyć lepkość roztworów gliceryny ze wzoru: Wartości gęstości i lepkości la woy wziąć z tabeli. woy cieczy t cieczy cieczy woy woy t woy Wyniki pomiaru lepkości Nr pomiaru temp [ 0 C] T [K] Czas wypływu t [s] Śreni czas wypływu t [s] woa gliceryna woa gliceryna Lepkość [ ] Obliczenia wartości energii aktywacji przepływu (w razie potrzeby okończyć na owrocie strony): 5