Lepkość, temperatura kroplenia i gęstość

Transkrypt

1 Lepkość, temperatura kroplenia i gęstość Cel ćwiczenia Zapoznanie się z metodyką pomiarów i pomiar dla wybranych materiałów lepkości, temperatury kroplenia i gęstości. Lepkość Materiały eksploatacyjne zalicza się do substancji, które w systemie technicznym nie tworzą części, ale są ważne ze względu na jego funkcjonowanie. Pełnią one zwykle następujące role: Smarów (zmniejszanie tarcia i zużycie: oleje, smary plastyczne, gazy i miękkie materiały stałe jak np. grafit) Cieczy roboczych (przenoszenie sygnałów: oleje hydrauliczne, powietrze) Czynników termodynamicznych (transport energii i masy: woda, powietrze, oleje, freony) Źródeł energii (paliwa: gazowe, ciekłe i stałe). Jak widać z powyższego, z małymi wyjątkami, są to substancje zaliczane do płynów (gaz i ciecz) a ich główną cechą jest łatwość zmiany kształtu, co wynika z faktu, iż w tym stanie brak jest wiązań utrzymujących molekuły w ustalonej pozycji i związana z tym niemożliwość przenoszenia naprężeń stycznych i rozciągających. Dlatego dla tych materiałów moduł Kirchhoffa G jest równy lub bliski zeru a do opisu własności mechanicznych nie ma zastosowania moduł Younga E. Jedynie dla gazów stosuje się jeszcze współczynnik ściśliwości, który jest odwrotnością modułu Helmholtza = 1/K. Zamiast tego definiowane są wielkości opisujące ich własności reologiczne, do których zalicza lepkość (płyny) i klasy konsystencji (smary). W oparciu o nie, wiele organizacji ISO, SAE itp. stworzyło normy klasyfikujące te substancje w celu ich łatwego doboru dla określonego zastosowania. W związku z powyższym w płynie znajdującym się w bezruchu lub poruszającym się jak bryła sztywna nie ma naprężeń stycznych a jedynie normalne i to w dodatku tylko ściskające. Zatem w tensorze naprężenia wszystkie składowe normalne są równe ciśnieniu p wziętym ze znakiem minus (ze względu na ściskanie) i = p zaś styczne znikają, czyli ij = 0. Dzięki temu stan naprężenia opisuje się skalarem p, a nie tensorem. Rys.1. Odkształcenia postaciowe w płynie wywołane gradientem prędkości v. Sytuacja zmienia się, gdy wewnątrz płynu ma miejsce względny ruch jednych obszarów w stosunku do drugich 1 prowadzący do odkształceń postaciowych. W tym stanie powstają niewielkie naprężenia styczne, które zależą od szybkości odkształcenia postaciowego dγ/dt = γ, czyli τ = f(γ ). Naprężenia te znikają, gdy tylko zanika ruch mimo, iż odkształcenie postaciowe pozostają. Zjawisko takie nazywa się lepkością (viscosity). Na rys.1 pokazano profil prędkości płynu v poruszającego się równolegle do dna kanału względem odległości od dna y i szkic, wynikających z tego, odkształceń cząstki płynu o wymiarach dy na dx. Jeżeli na wysokości y 1 Czyli niejednorodne pole prędkości v(x,y,z) const 1/8

2 prędkość płynu wynosi v, to na wysokości y + dy będzie ona większa o wartość dv. Spowoduje to odkształcenia postaciowe, których miarą jest kąt d. Z pokazanej na rysunku geometrii odkształcenia wynika, że tg dy dγ = w/dy. Biorąc pod uwagę, że odległość w, o jaką przemieszcza się górna powierzchnia cząstki względem dolnej wynosi w = dv dt, łatwo da się pokazać, iż szybkość ścinania γ = dγ/dt = dv/dy, czyli że jest ona równa składowej gradientu v w kierunku y, czyli kierunku prostopadłym do działania naprężenia stycznego. Lepkość jest właściwością płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzującą tarcie wewnętrzne, czyli ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Lepkością nie jest opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia. Przyczyną lepkości w cieczy są siły międzymolekularne, które utrudniają ruch molekuł a co za tym idzie i warstw względem siebie dając opór przy poślizgu. Im są one większe, tym większe są opory tarcia wewnętrznego cieczy. Z kolei lepkość gazów jest efektem dyfuzji molekuł między warstwami poruszającymi się względem siebie z różnymi prędkościami. W wyniku dyfuzji do warstwy wnikają molekuły o innym pędzie, które przyjmując pęd warstwy oddziaływują na nią z siłą proporcjonalną do różnicy pędów stwarzającą naprężenia styczne. Gazy oraz większość płynów jak woda, oleje, alkohole i inne, to płyny newtonowskie, które charakteryzują się tym, iż jest proporcjonalne do γ. Stała proporcjonalności między a γ zwana jest współczynnikiem lepkości dynamicznej, zatem τ = ηγ = η dv dy Wzór (1) stanowi treść hydrodynamicznego prawa Newtona. Jednostką lepkości dynamicznej w SI jest kg/(m s) = Pa s. Jednostką z poza układu SI jest puaz (fr. poise) skrót P. Pomiędzy jednostkami zachodzi związek 1 Pa s = 10 P. W praktyce częściej używa się milipaskalosekundy 1 mpa s = 1 cp. Inną wielkością charakteryzującą tarcie wewnętrzne, którą często używa się w obliczeniach hydrodynamicznych, jest współczynnik lepkości kinematycznej (gr. litera ni) będący stosunkiem lepkości dynamicznej do gęstości płynu (1) ν = η ρ (2) Jego jednostką w SI jest m 2 /s zaś jednostką z poza układu SI jest St (Stokes) = cm 2 /s = 10-4 m 2 /s. Lepkość kinematyczna jest chętniej stosowana w przemyśle i, zgodnie z normą ISO Tabela 1. Lepkość wybranych płynów 3448, jest podstawą klasyfikacji olejów przemysłowych. mpa s Lepkość Płyn Do opisu własności reologicznych stosowane Woda 20 C 1,0 są też inne wielkości jak płynność będąca odwrotnością współczynnika lepkości dynamicznej Benzyna 0,7 Oliwa (z oliwek) 84,0 = 1/ oraz dla celów praktycznych, gdy chodzi Olej lniany 44,0 Gliceryna 20 C 1945,0 tylko o porównanie cieczy, lepkość względna, Aceton 0,3 która jest stosunkiem lepkości badanej cieczy x Olej silnikowy 0W (-30 C) 3250 do lepkości cieczy wzorcowej w. Lepkość ta jest Olej silnikowy 40 (150 C) 3,7 podawana w jednostkach umownych. W kraju stosuje się stopnie Englera E, wyrażające stosunek czasu wypływu 200 cm 3 badanej cieczy do czasu wypływu tej samej ilości wody destylowanej w temperaturze 20 C przez kapilarę znormalizowanego aparatu Englera. Dla płynów newtonowskich lepkość jest funkcją temperatury i ciśnienia. Dla cieczy jej zależność od temperatury wyraża wzór η = A exp [ E/(kT)], gdzie: A współczynnik proporcjonalności; k stała Boltzmanna; T temperatura bezwzględna i E energia aktywacji ruchu. Z kolei dla gazów można wykazać, że η = ρl f w s /3, gdzie: l f średnia droga swobodna (~1/p) a w s średnia prędkość molekuły (~ T). Z powyższego wynika, że lepkość cieczy spada wraz z temperaturą a dla gazów rośnie wraz z nią rys.2. Lepkość gazów jest od 3 do 5 rzędów niższa niż lepkość cieczy a wody około 100 razy mniejsza niż olejów. 2/8

3 Dla olejów przemysłowych, do opisu zależności ich lepkości kinematycznej od temperatury, stosuje się wzór empiryczny Walthera lg lg( ν + c) = m lg T + k, (3) który obowiązuje dla wyrażonego w mm 2 /s (czyli cst) i temperaturze T wyrażonej w K. Jego zgodność z danymi doświadczalnymi jest lepsza w wyższych temperaturach. Stała c = 0,8 (wg norm europejskich) zaś stałe k i m zależą od rodzaju oleju i wyznacza się je doświadczalnie. W zastosowaniach technicznych najbardziej pożądaną cechą jest niewrażliwość lepkości na zmiany temperatury, czyli możliwie małe nachylenie krzywej (T). Niewrażliwość tą wyraża podawany w procentach wskaźnik lepkości WL (viscosity index). Wyznaczany jest on przez porównanie badanego oleju i dwóch olei wzorcowych w temperaturze 40 C, tak dobranych by wszystkie miały w 100 C taką samą (PN-ISO 2909). Oleje mineralne mają WL w granicach 0% (najgorsze najwrażliwsze) do 100% (najlepsze najmniej wrażliwe), zaś WL olei syntetycznych może osiągać wartości wyższe niż 160%. Na rys.2a lepszy (wyższy) WL posiada olej 3, natomiast olej 1 ma WL najniższe. a) b) Rys.2. Zależność lepkości dynamicznej od temperatury (a) cieczy: 1,2,3 oleje; 4 woda 100; 5 powietrze 1000; (b) gazy Dla gazów zależność lepkości od ciśnienia jest niewielka. Dla cieczy w zakresie do 25 MPa jest ona prawie liniowa a dla ciśnień wyższych (rys.3) rośnie wykładniczo = o exp( p), gdzie: o lepkość przy ciśnieniu normalnym, ciśnieniowy współczynnik lepkości, który spada wraz ze wzrostem temperatury i dla olei mineralnych waha się w granicach od 1,7 do 3, bar -1. Rys.3. Zależność lepkości dynamicznej od ciśnienia dla różnych temperatur dla oleju mineralnego. Rys.4. Modele cieczy: 1 binghamowska; 2 pseudoplastyczna; 3 newtonowska; 4 dylatacyjna. Nie wszystkie ciecze zalicza się do płynów newtonowskich. Istnieją ciecze, dla których zależności τ(γ ) są nieliniowe rys.4. Dla cieczy newtonowskiej τ(γ ) jest linią prostą 3 przecho- 3/8

4 dzącą przez punkt (0,0), której nachylenie reprezentuje lepkość. Ogólnie nachylenie stycznej do wykresu τ(γ ) jest miarą pozornej lepkości dynamicznej dla określonego γ. Cieczą pseudoplastyczną (krzywa 2) nazywamy ciecz, której lepkość pozorna maleje ze wzrostem prędkości ścinania. Są to ciecze o zazwyczaj niesymetrycznej budowie molekuły (np. o wydłużonym kształcie), które w miarę zwiększania prędkości ścinania przyjmują uporządkowane ułożenie, wskutek czego zmniejszają się opory tarcia, a więc i lepkość pozorna. Cieczą dylatacyjną jest ciecz (krzywa 4), której lepkość pozorna rośnie w miarę wzrostu prędkości ścinania (np. mokry piasek lub inne zawiesiny). Podczas szybkiego ścinania, ciecz spełniająca rolę smaru między cząstkami zawiesiny, zostaje wyparta i opory ścinania rosną. Cieczą binghamowską jest ciecz (krzywa 1), która zaczyna płynąć dopiero wówczas, gdy naprężenie styczne przekroczy pewną wartość graniczną o. Przykładem takiej cieczy mogą być różnego rodzaju pasty, smary plastyczne itp., dla których po przekroczeniu o struktura wewnętrzna materiału ulega zniszczeniu i materiał zachowuje się jak ciecz newtonowska. Te substancje w pewnym zakresie naprężeń zachowują się jak ciała stałe. Ten podział nie jest kompletny, albowiem istnieją też ciecze, dla których lepkość, nie tylko zależy od γ, ale także od czasu jak ciecze tiksotropowe ( spada w miarę mieszania) lub reopeksyjne ( rośnie w miarę mieszania). Na koniec warto wspomnieć o niezwykłej właściwości helu, który w temperaturze poniżej 2,17 K wykazuje nadciekłość, czyli całkowity brak lepkości, co pozwala mu w dowolnym obiegu zamkniętym krążyć bez końca. Lepkość jest zjawiskiem niekorzystnym albowiem jest przyczyną strat ciśnienia w przewodach oraz powoduje opory ruchu obiektów poruszających się w płynach (łopatki wirników, statki itp.), co w konsekwencji przekłada się na straty energii. Z drugiej strony, w łożyskach ślizgowych większa lepkość dynamiczna ułatwia przejście przy niskich prędkościach obrotowych i dużych obciążeniach, w stan smarowania hydrodynamicznego, w którym współczynniki tarcia między współpracującymi częściami osiągają bardzo niskie wartości. Gęstość Gęstość (density) jest jedną z podstawowych cech materii, która określa masę jednostki objętości ciała a zatem formalnie wylicza się ją jako stosunek masy ciała m do jego objętości V ρ = m V (4) Jednostką gęstości, w układzie SI, jest kg/m 3 a popularną jednostką z poza SI jest t/m 3, czyli Mg/m 3. W mechanice płynów czasami wygodniej jest posługiwać się ciężarem właściwym γ = ρg (g przyśpieszenie ziemskie 9,81 m/s), czyli ciężarem jednostki objętości płynu. Szczególnym przypadkiem materiałów są materiały porowate (piany stałe). Dla nich, w skali makro, do objętości materiału wlicza się objętość porów, które są wypełnione gazem, zwykle powietrzem, stąd gęstość n takiego materiału, zwana gęstością pozorną (lub gęstością usypową dla materiałów sproszkowanych), jest mniejsza od gęstości rzeczywistej substancji tworzącej dany materiał. Dla tego typu materiałów definiuje się wielkość zwaną porowatością, która jest stosunkiem objętości porów do pozornej objętości materiału (suma objętości substancji i porów), a którą można wyliczyć znając gęstość pozorną n i gęstość rzeczywistą substancji z zależności φ = 1 ρ n /ρ. Na gęstość substancji wpływają masa i rozmiary atomów oraz sposób ich upakowania w przestrzeni, czyli skład pierwiastkowy molekuły i rodzaj sieci krystalicznej. Na przykład gęstość dla masywniejszego Ge (M = 72,64 u) wynosząca 5323 kg/m 3 jest mniejsza od lżejszego Fe (M = 55,8 u), który ma gęstość 7874 kg/m 3, co jest skutkiem luźniejszego upakowania atomów Ge w siatce krystalicznej. Gęstość metali jest duża, co wynika z ciasnego ułożenia masywnych atomów a co jest charakterystyczne dla bezkierunkowego wiązania metalicznego. Mniejsza gęstość ceramiki jest skutkiem kierunkowości wiązania kowalencyjnego (mniejsze wypełnienie przestrzeni) oraz mniej masywnych atomów. Z kolei jeszcze niższa gęstość polimerów wynika z faktu, że tworzą je lekkie składniki materii C, O, H a duże i nieregularne makrocząsteczki nie dają się ciasno upakować w przestrzeni. 4/8

5 Gęstość zależy także od stanu skupienia oraz temperatury i ciśnienia. Substancje w stanie ciekłym posiadają mniejszą gęstość niż w stanie stałym, choć zdarzają się wyjątki jak np. woda, żeliwo, bizmut, gal i german, które w pewnym przedziale temperatur w stanie stałym mają gęstość niższą niż w ciekłym. Zasadniczo gęstość materiałów spada wraz ze wzrostem temperatury i rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, przy czym ostatnia zależność jest słaba w przypadku ciał stałych i cieczy a mocna dla gazów. Zwykle w tabelach gęstości materiałów podaje się ich wartości w temperaturze znormalizowanej. Podstawową temperaturą, dla której podaje się gęstość produktów naftowych jest 15 C a ciał stałych 20 C. Dla gazów gęstości podaje się dla ciśnienia normalnego Pa. Temperatura kroplenia smarów plastycznych Smar plastyczny jest to substancja o konsystencji od ciekłej do stałej, której podstawowymi składnikami są faza ciekła (olej) i zagęszczacz (substancja żelująca) tworząca gąbczastą strukturę smaru, która nadaje mu pewną sztywność. Niektóre smary plastyczne w swoim składzie zawierają zdyspergowane substancje stałe. Smary plastyczne zaliczają się do cieczy binghamowskich a niektóre z nich posiadają także własności tiksotropowe. Do oceny jakości smaru plastycznego bierze się pod uwagę: lepkość strukturalną (pozorną) penetrację (określająca klasę konsystencji smaru) temperaturę kroplenia (drop point) odporność na utlenianie, wymywanie wodą i obciążenia właściwości ochronne (przed korozją, przeciwzużyciowe, przeciwzatarciowe) warunki wydzielania oleju i smaru z łożyska opór mechaniczny w niskich temperaturach trwałość w wysokiej temperaturze kompatybilność z elastomerami uszczelnień Jednym z podstawowych parametrów dla smarów plastycznych jest temperatura kroplenia, która jest miarą początku niszczenia (degradacji) gąbczastej struktury zagęszczacza. Zależy ona od rodzaju zagęszczacza, technologii jego produkcji i sposobu otrzymywania smaru. Do oznaczenia temperatury kroplenia stosuje się aparat Ubbelhode a norma PN-84/C Temperatura kroplenia jest to temperatura, w której z naczynia badawczego spada pierwsza kropla badanego smaru nagrzanego w warunkach opisanych ww. normie. Przyjmuje się, że temperatura kroplenia smaru powinna być o kilkadziesiąt stopni wyższa niż temperatura, w której dany smar może pracować. Zwyczajowo przyjmuje się, że temperatura pracy smaru powinna być nie wyższa niż 2/3 temperatury kroplenia. Pomiar lepkości Lepkość powoduje powstawanie sił przeciwstawiających się przesuwaniu warstw cieczy względem siebie. W przypadku dowolnego ruchu cieczy względem ciała stałego, warstwa cieczy bezpośrednio stykająca się z ciałem, dzięki siłom adhezji, przylega do niego i porusza się wraz z nim. Ten fakt ułatwia określenie profilu prędkości na podstawie znajomości prędkości ciał względem płynu pod warunkiem, że przepływ będzie laminarny (uwarstwiony). Ruch taki ma miejsce przy małych liczbach Reynoldsa (Re = vd/ ), czyli małych prędkościach v cieczy względem ciał oraz w przewodach o bardzo małych średnicach D (kapilarach) lub w wąskich szczelinach. Do pomiaru lepkości stosuje się, między innymi, następujące rodzaje lepkościomierzy (wiskozymetrów). Przepływowe wykorzystujące przepływ cieczy przez kapilarę (Ostwalda-Pinkiewicza, Vogel-Ossaga i Ubbelohde'a) Wypływowe oparte na pomiarze czasu wypływu cieczy z naczynia przez otwór (np. kubki Forda, lepkościomierz Englera, Saybolta, Redwooda) Rotacyjne wyznaczające opór, spowodowany lepkością dynamiczną, kręcącego się dysku lub cylindra zanurzonego w cieczy przez pomiar jego momentu lub prędkości obrotowej. 5/8

6 Lepkościomierze mierzące czas opadania elementu (kulki, tłoka) wiskozymetr Höpplera Lepkościomierze oscylacyjne wykorzystują fakt, że współczynnik tłumienia drgań zależy od lepkości lepkościomierz Stabingera i Stormera Lepkościomierze bąbelkowe szybkość wzrostu bąbelka powietrza w cieczy jest odwrotnie proporcjonalna do lepkości kinematycznej. W ćwiczeniu zostanie wykorzystany kubek wypływowy Forda (rys.5), który służy do pomiaru lepkości kinematycznej cieczy w warunkach nielaboratoryjnych. Kształt, pojemność i średnica otworu w dnie zależy od rodzaju kubka i jest określona przez odpowiednią normę np. FORD, FRIKMAR, AFNOR, ZAHN, itp. a) b) Rys.5. Pomiar lepkości kubkiem Forda: a schenat stanowiska; b zależność lepkości kinematycznej od czasu wypływu. Pomiaru lepkości dokonuje się przez napełnienie kubka mierzoną cieczą i dopuszczenie do swobodnego wypływu cieczy przez otwór w dnie kubka. Całkowity czas t opróżniania kubka jest zależny od lepkości kinematycznej cieczy, którą można wyznaczyć ze wzoru ν = bt a t a b , , ,28 (5) gdzie a, b stałe zależne od rodzaju kubka i średnicy jego otworu. Tabela obok wzoru podaje stałe dla kubka Forda, które obowiązują dla lepkości w mm 2 /s oraz czasu wypływu w sekundach. Dla kubków użytych w ćwiczeniu uzyskane wyniki są poprawne, gdy 30 s < t < 100 s. Jeżeli czas wypływu nie miesi się w tych granicach wówczas pomiar należy wykonać dla kubka z inną średnicą otworu mniejszą jeśli t < 30 s i większą gdy t > 100 s. Czas wypływu liczony jest od chwili, gdy badana ciecz zacznie wypływać z otworu całkowicie wypełnionego kubka, do chwili, gdy wypływający strumień po raz pierwszy przerwie się w pobliżu otworu. Wyznaczenie gęstości Wyznaczanie gęstości ciał polega na zmierzeniu ich objętości V oraz masy m i wykorzystaniu wzoru (4). O ile wyznaczenie masy nie nastręcza trudności stosuje się do tego komercyjnie produkowane wagi o różnej dokładności to określenie objętości jest zadaniem nieco trudniejszym. Objętość, w zależności od stanu skupienia, można wyznaczyć różnymi metodami. W przypadku cieczy stosuje się do tego celu cylindry miarowe (menzurki) lub zlewki z zaznaczoną na ściance precyzyjną podziałką objętości. Stosuje się też piknometry, czyli naczynie, które posiadają jedną konkretną objętość w ściśle określonych temperaturze. Gęstość cieczy można też wyznaczyć od razu areometrem, w którym wykorzystuje się siłę wyporu, z jaką ciecz działa na zanurzone w niej ciało stałe. Jest to rodzaj pływaka o podłużnym kształcie z obciążnikiem na jednym końcu. Głębokość na jaką się on zanurza się w cieczy jest miarą jej gęstości, którą wprost odczytuje się na umieszczonej na nim skali. 6/8

7 W przypadku ciał stałych ich objętość można obliczyć na podstawie ich wymiarów charakterystycznych, o ile posiadają one typowe, wykonane z dużą dokładnością kształty. Jeśli obiekt ma kształt nieregularny, to jego objętość można zmierzyć wkładając go do zlewki wypełnionej cieczą, tak by ciało zanurzyło się w całości i na skali objętości odczytać jej przyrost. W przypadku małych obiektów takie pomiary nie są dokładne. W ćwiczeniu wykorzystuje się metodę polegającą na zważeniu ciała w płynach o różnej gęstości a konkretnie w powietrzu i w wodzie rys.6. Wagi, choć podają, jako wynik pomiaru masę m obiektu, faktycznie mierzą jego ciężar, czyli siłę F = mg. Wyrażając się bardziej precyzyjnie, to mierzony jest nie tyle ciężar, co siła nacisku F wywierana przez ciało na szalkę wagi a jako wynik podawana Rys.6. Zasada pomiaru gęstości jest wielkość F/g. Jeśli siła nacisku F wynika tylko z ciężaru ciała, to waga podaje masę obiektu (bo mg /g = m). Jeżeli na obiekt oprócz siły ciężkości działają inne siły, to podawana przez wagę masa nie odpowiada masie obiektu tylko pewnej pozornej masie m p = F/g reprezentującej wypadkową siłę F. Zatem ważąc ciało całkowicie zanurzone w płynie (a takim płynem jest powietrze) trzeba uwzględnić 2, skierowaną przeciwnie do ciężaru, siłę wyporu 3 wynoszącą V p g (tu p jest gęstością płynu nie ciała). Siła wypadkowa F, która stanowi nacisk na szalkę wagi, jest wówczas różnicą ciężaru i siły wyporu i wynosi F = mg Vg p. Z drugiej strony F jest reprezentowana przez podawaną przez wagę masę m p, czyli F = m pg. Łącząc te zależności otrzymujemy po uproszczeniu m p = m V p. W tym równaniu niewiadomymi są tylko m i V, bo m p jest znane z pomiaru a p jest znaną gęstością użytego płynu. Ponieważ są dwie niewiadome, do uzyskania rozwiązania potrzebne jest drugie podobne równanie, które otrzyma się ważąc ciało zanurzone w płynie o innej, najlepiej znacznie różniącej się, gęstości. Oznaczmy przez m p i m w masy podane przez wagę podczas ważenia ciała odpowiednio w powietrzu i w wodzie a przez p i w gęstości powietrza i wody. Wówczas rozwiązaniem takiego układu równań będą wzory na masę m, objętość V ważonego obiektu i gęstość materiału, z jakiego jest on wykonany w postaci m = m pρ w m w ρ p ρ w ρ p, V = m p m w ρ w ρ p zatem ρ = m V = m pρ w m w ρ p m p m w (6) Pomiar temperatury kroplenia Pomiar temperatury kroplenia dokonuje się na stanowisku pokazanym na rys.7. W celu wyznaczenia temperatury kroplenia smaru należy wypełnić naczynie pomiarowe termometru badawczego smarem, nadmiar smaru należy zebrać łopatką a następnie pręcikiem utworzyć w smarze lej w kształcie stożka. Potem naczynie należy przymocować do termometru i wprowadzić całość do próbówki zanurzonej w kąpieli wodnej. Po złożeniu całego stanowiska należy uruchomić mieszadło i podgrzewać cały układ, jednocześnie obserwując wskazania termometrów. Po pojawieniu się zalążka kropli należy ją obserwować do momentu oderwania się od otworu naczynia i w chwili oderwania zarejestrować temperaturę kąpieli wodnej i smaru. Jako temperaturę kroplenia danego smaru przyjąć średnią arytmetyczną obu tych wartości. 2 Normalnie ważąc obiekty w powietrzu nie uwzględnia się sił wyporu, jako że są one pomijalnie małe. Dla materiałów cięższych od wody błąd ten jest mniejszy od 0,12%., np. dla stali wynosi on zaledwie 0,015%. 3 Zgodnie z prawem Archimedesa siła wyporu równa jest ciężarowi wypartej cieczy, czyli iloczynowi objętości zanurzonej części ciała przez ciężar właściwy cieczy. 7/8

8 Przebieg ćwiczenia Lepkość oleju 1. Zmierz lepkość kinematyczną dostarczonego oleju kubkiem Forda dla różnych temperatur 2. Wyznacz gęstość oleju dla temperatury pokojowej metodą ważenia znanej objętości płynu. Do odmierzenia wybranej objętości oleju użyj zlewki z podziałką objętości. 3. Oblicz lepkości dynamiczne dla temperatury pokojowej 4. Nanieś wynik na wykres 5. Wyznacz stałe do równania Walthera (3) wg wzorów: m = lg lg(ν 1+c) lg lg(ν 2 +c) lg T 1 lg T 2 k = lg lg(ν 1 + c) + m lg T 1 przyjmij c = 0,8 Wskazówka: W Excelu wykonaj wykres lg lg( + 0,8) w funkcji lg(t ) i oblicz współczynniki regresji liniowej Gęstość ciał stałych 1. Zmierz temperatury otoczenia i wody (jako drugiego płynu). 2. Oblicz gęstości powietrza i wody. Zmierz gęstość wody metodą ważenia znanej objętości płynu. 3. Wyznacz gęstości trzech próbek wykonanych z różnych materiałów metodą ważenia w dwóch płynach. Temperatura kroplenia Wyznacz temperaturę kroplenia dostarczonego smaru przy pomocy trzech niezależnych pomiarów. Wylicz wartość średnią Rys.7. Schemat stanowiska do pomiaru temperatury kroplenia smaru 8/8