Определение кинематической вязкости
Цель работы:
Определить кинематическую вязкость исследуемой жидкости.
Построить кривую изменения кинематической вязкости от температуры.
Задачи:
1. Научиться работать с капиллярным вискозиметром;
2. Определить кинематическую вязкость исследуемых образцов жидкости.
Теоретическая часть.
Вязкость – способность тела оказывать сопротивление относительному смещению его слоев; мера сопротивления течению жидкости, равная отношению напряжения сдвига к скорости сдвига. Различают ньютоновские и неньютоновские жидкости. Ньютоновская жидкость характеризуется тем, что напряжение в ней пропорционально скорости деформации, то есть коэффициент динамической вязкости является величиной постоянной.
Жидкости – вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига наблюдается течение, то есть деформация с постоянной или переменной скоростью. Свойства жидкостей проявляются и у пластичных тел после превышения предела текучести. Например, при простом сдвиге ньютоновской жидкости с напряжением сдвига τ возникает деформация с определенной скоростью γ.
Для характеристики жидкостей используют кривые течения – реограммы, которые представляют собой зависимость напряжения сдвига от скорости сдвиговой деформации в условиях простого сдвига. Реограмма ньютоновских жидкостей (водные растворы, вино, жидкое масло при повышенной температуре, молоко, пахта, молочная сыворотка, сливки с массовой долей жира менее 20% ) представляет собой прямую линию, которая проходит через начало координат. Для неньютоновских жидкостей вязкость – функция скорости сдвига и поэтому называется эффективной вязкостью. Неньютоновские жидкости (кисломолочные продукты: кефир, творог, сметана и т.д.)
Допущения и ограничения теории капиллярных вискозиметров:
− сплошности и непрерывности,
− скорость жидкости на стенке принимается равной нулю;
− продукт считается несжимаемым;
− реологические характеристики неизменны по длине и не зависят от времени, т.е. на течение не оказывает влияния процессы тиксотропии, реопексии и релаксации.
Вискозиметры капиллярного типа применяются для определения вязкости материалов, обладающих относительно небольшой ее величиной: мясокостного бульона, крови и топленого жира, растворов мыла, миндального, а арахисового масел, кондитерского жира.
В капиллярных вискозиметрах задаются либо постоянным во всех опытах расходом исследуемой жидкости, либо постоянным перепадом давления в капиллярах. В вискозиметрах с постоянным расходом измеряется перепад давления между концами капилляра, в приборе с постоянным давлением – расход материала.
Каждый вискозиметр состоит из следующих частей: емкости для исследуемого материала, калиброванного капилляра, приспособлений для определения и регулирования давления, определения скорости течения (или истечения) материала, определения температуры.
Принцип действия капиллярных вискозиметров основан на непрерывном сдвиге в капилляре вновь поступающей жидкости и постоянном уносе с материалом выделяющейся теплоты.
Капиллярные вискозиметры можно разделить на три группы: стеклокапиллярные, цилиндр – поршень и приборы истечения.
К первой группе приборов относятся простейшие вискозиметры, представляющие собой U – образные трубки, в одно из колен которых помещен капилляр(ВПЖ-1, визкозиметр Уббелоде, Оствальда).
Ко второй группе относятся приборы, в которых течение материала происходит за счет, гидравлического, пневматического или механического перемещения поршня в цилиндре (визкозиметр типа Арвесон).
Третья группа – визкозиметры переменного уровня или свободного истечения, приборы, принцип действия которых основан на истечении материала под действием собственной массы. Основным узлом является емкость с расположенной внизу капиллярной трубкой. Расход жидкости поддерживается постоянным, а уровень ее изменяется пропорционально вязкости. Измеряя высоту уровня, находят значение исследуемой вязкости. Одним из приборов переменного уровня является вискозиметр Лейба. Вискозиметры постоянного уровня основаны на наблюдении за характером струи жидкости, вытекающей из капилляра, по которому судят о величине вязкости
Основные виды ошибок капиллярной реометрии:
− Систематическое существенное отклонение результатов от известных данных;
− Различное время истечения в последовательных измерениях;
− Неустановившееся движение;
− Тепловой эффект;
− Потери кинетической энергии;
− Пристенный эффект;
− Эффект нестационарности.
Устройство вискозиметра ВПЖ – 1 и принцип работы.
Рис 1.Вискозиметр капиллярный стеклянный типа ВПЖ – 1 с висячим уровнем.
Вискозиметр ВПЖ-1 состоит из измерительного прибора (4), ограниченного двумя кольцевыми отметками М1 и М2; резервуар переходит в капилляр (5) и резервуар (6), который соединен с изогнутой трубкой (3) и трубкой (1). Последняя имеет резервуар (7) с двумя отметками М3 и М4, указывающими пределы наполнения вискозиметра жидкостью. Жидкость из резервуара (4) по капилляру (5) стекает в резервуар (6) по стенкам последнего, образуя у нижнего конца капилляра “висячий уровень”. Измерение вязкости при помощи капиллярного вискозиметра основано на определении времени истечения через капилляр определенного объема жидкости из измерительного резервуара.
Испытуемая жидкость заливается в чистый вискозиметр через трубку (1) так, чтобы уровень ее установился между отметками М3 иМ1. На концы трубок (2) и (3) надевают резиновые трубки, причем, первая из них снабжена краном и резиновой грушей, вторая – краном. Вискозиметр устанавливают вертикально в жидкостной термостат (водяную баню) так, чтобы уровень воды находился на несколько сантиметров выше расширения (8).
При температуре измерения выдерживают прибор не менее 15 минут, после чего засасывают (грушей) при закрытой трубке (3) жидкость выше отметки М1 примерно до половины резервуара (8) и перекрывают кран, соединенный с трубкой (2).
Если вязкость жидкости менее 500 – 1000 сантистоксов, открывают кран на трубке (2) и освобождают зажим на трубке (3). При более вязких жидкостях сначала открывают трубку (3), затем трубку (2). Далее измеряют время понижения уровня в трубке (2) от отметки М1 до отметки М2.
Необходимо при этом обращать внимание на то, чтобы к моменту подхода уровня жидкости к отметке М1 в расширении (6) образовался висячий уровень, а в капилляре не было бы пузырьков воздуха.
Устройство и принцип работы вискозиметра ВПЖ – 4.
Рис. 2 Вискозиметр ВПЖ-4.
Для измерения времени истечения жидкости на отводную трубку (6) надевают резиновый шланг. Далее, зажав пальцем колено (5) и перевернув вискозиметр, опускают колено (1) в сосуд с жидкостью и засасывают ее (с помощью груши, водоструйного насоса или иным способом) до отметки М2, следя за тем, чтобы в жидкости не образовывалось пузырьков воздуха.
В тот момент, когда уровень жидкости достигнет отметки М2, вискозиметр вынимают из сосуда и быстро переворачивают в нормальное положение. Снимают с внешней стороны конца колена (1) избыток жидкости и надевают на него резиновую трубку.
Вискозиметр устанавливают в термостат (водяную баню) так, чтобы резервуар (2) был ниже уровня жидкости в термостате (водяной бане). После выдержки в термостате (водяной бане) не менее 15 минут при заданной температуре засасывают жидкость в колено (1) примерно до одной трети высоты резервуара (2). Сообщают колено (1) с атмосферой и определяют время истечения – опускания мениска жидкости от отметки М1 до отметки М2.
Расчет кинематической вязкости:
Вязкость вычисляется по формуле, приведенной ниже, по среднему (из нескольких измерений) времени истечения жидкости
где К – постоянная вискозиметра (по паспорту прибора);
Т – время истечения жидкости, с;
g – ускорение свободного падения в месте измерения, м/с2.
Порядок проведения работы
Получив у преподавателя задание для выполнения работы, студенты производят определение времени истечения жидкости, рассчитывают кинематическую вязкость, строя график зависимости кинематической вязкости от температуры. На основании полученных результатов делается вывод.
Контрольные вопросы:
1. Что такое вязкость. Укажите чем отличается ньютоновские жидкости от неньютоновских.
2. Перечислите виды капиллярных вискозиметров.
3. Изложите принцип работы на визкозиметрах ВПЖ-1 и ВПЖ-4.
4. Виды ошибок капиллярной реометрии.
5. Перечислите допущения в теории капиллярных визкозиметров. Какой должен быть режим движения.
6. Чем характеризуется режим движения.
7. Что представляет собой критерий Рейнольдса.
Практическая работа № 3.