Вискозиметр оствальда принцип работы

Вискозиметр оствальда принцип работы

Описание установки и теоретическое обоснование метода.

В основе этого метода лежит формула Пуазейля для ламинарного течения жидкости:

(7)

Эта формула устанавливает связь между объемом V жидкости, имеющей вязкость , протекающей через капилляр радиусом R и длиной L за время t при перепаде давления Р на концах капилляра.

Поскольку формула Пуазейля справедлива только для ламинарного течения, то для измерения маловязких жидкостей приходится брать капилляры малого радиуса, что осложняет измерения.

В связи с этим на капиллярном вискозиметре проводят не абсолютное измерение вязкости исследуемой жидкости, а сравнение ее с вязкостью некоторой жидкости, взятой за эталон, чаще всего дистиллированной воды.

Тогда для эталонной жидкости справедлива формула Пуазейля:

,

где t — время истечения эталонной жидкости, — динамическая вязкость эталонной жидкости.

Так как перетекающие объема исследуемой и эталонной жидкостей равны, то получим:

(9)

Жидкость течет под действием силы тяжести, поэтому перепад давлений определяется гидростатическим давлением Р для исследуемой жидкости, Р — для эталонной жидкости.

Тогда их отношение можно записать:

= , (10)

где r и r— плотности исследуемой и эталонной жидкостей соответственно.

Приняв во внимание (9) и (10), имеем:

(11)

Если в формуле (11) обозначить А = (12),

где А назовем постоянной прибора, тогда вязкость исследуемой жидкости рассчитывают по формуле:

, (13)

где t — время истечения исследуемой жидкости.

Практическая часть

Задание:определить вязкость исследуемой жидкости в интервале температур 15 0 С – 25 0 С.

Рис. 4. Капиллярный вискозиметр, (АВ=L – длина капилляра).

В вискозиметре измеряется время протекания жидкости между метками N и А.

Ход работы

1. Дистиллированную воду залить через воронку в вискозиметр (рис. 4) так, чтобы заполнить резервуар М, а затем с помощью резиновой груши медленно поднять уровень воды выше метки N, при этом отверстие С закройте плотно пальцем.

При подъеме жидкости необходимо следить за тем, чтобы не возникли воздушные пузырьки.

2.
Замерить время прохождения жидкости между метками N и А. Как только уровень жидкости совместится с меткой N, включить секундомер, а когда опустится до метки А — выключить, тем самым определив время протекания объема воды V через капилляр. Повторить опыт 4 или 5 раз.

3. Вылить эталонную жидкость. Освободить держатель с вискозиметром от штатива, перевернуть и продуть капилляр с помощью груши, чтобы на стенках не остались капли дистиллята.

4. Принимая вязкость и плотность эталонной жидкости постоянными величинами, рассчитать среднее арифметическое значение постоянной прибора и ее доверительный интервал с доверительной вероятностью Р = 0,95.

5. Установить вискозиметр в рабочее положение и залить исследуемую жидкость.

Провести измерения по п. 2.

6. Вычислить среднее арифметическое значение и доверительный интервал вязкости исследуемой жидкости, считая результаты опыта малыми выборками.

7. Записать окончательный результат.

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-12; Нарушение авторского права страницы

Вискозиметр Оствальда представляет собой U-образную трубку (рис. 3). Через широкий конец вводится исследуемая жидкость (вода), которая заполняет всю расширенную его часть (резервуар 1). Другое колено состоит из капилляра bc, рабочего резервуара 2 и вспомогательного резервуара 3. Весь прибор помещается в термостат (стеклянный сосуд).

В процессе измерений при помощи шприца, присоединяемого к трубке 5, всасывают в резервуар 2 и 3 жидкость, которая поступает из балластного объема 1. При этом резервуар 3 можно заполнить жидкостью частично. В естественном состоянии жидкость будет перетекать через капилляр bc из объемов 2 и 3 в объем 1.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с устройством и принципом действия вискозиметра Оствальда.

2. Определить время истечения эталонной жидкости (воды) . Для этого поднять в резервуаре 2 уровень воды до метки а с помощью шприца. Секундомером определить время истечения воды из резервуара 2 от метки а до метки b. Определить среднее значение из трех измерений.

3. Провести измерения, аналогичные п. 2, для трансформаторного масла , глицерина и фармакологического препарата .

4. Внести полученные результаты в табл. 1 (программа «вязкость»).

Плотность , кг/м 3 Время истечения , с Вязкость , кг/м·с
Эталонная жидкость (вода)
10 -3
Трансформаторное масло
Глицерин
Фармакологический препарат

5. Провести измерения, аналогичные п. 2, для воды, нагревая ее с помощью электрической плитки, от комнатной температуры
(20 0 С) до температуры 100 0 С с шагом 10 радусов.

6. Внести полученные результаты в табл. 2 (программа «вязкость»).

,
, кг/м 3 ·10 -3 0,998 0,996 0,992 0,988 0,984 0,978 0,972 0,965 0,953
, кг/м·с ·10 -3

7. Построить график зависимости для воды с помощью программы «вязкость».

8. Провести сравнительный анализ полученных результатов со справочными данными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение вязкости жидкости.

2. Относится ли явление вязкости к идеальным или реальным газам?

3. Сформулировать закон Ньютона для вязкости.

4. Описать принцип действия вискозиметра Оствальда.

5. В каких единицах измеряется коэффициент вязкости?

6. Описать метод Пуазейля определения коэффициента вязкости.

7. В каких единицах измеряется коэффициент вязкости.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Цель работы: изучение явления поверхностного натяжения в жидкос-тях, экспериментальное определение их параметров ме-тодом кольца и проведение компьютерной обработки результатов измерений.

Читайте также:  Сколько курица живет без еды

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Жидкость является агрегатным состоянием, промежуточным между газообразным и твердым состоянием вещества. В жидкостях имеет место ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение на сравнимых с межатомными расстояниях (расстояниях межатомного действия).

В поверхностном слое жидкости равнодействующая сил , приложенных к каждой молекуле, например, , не равна нулю (как в объеме тела, например, молекула ) и направлена внутрь жидкости (рис.1 ). На рисунке – радиус молекулы.

Результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным. Вследствие этого молекулы из поверхностного слоя уходят вовнутрь жидкости, и поверхность стремится стать минимальной.

Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и увеличивает их потенциальную энергию. Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидкости, называется поверхностной энергией, она пропорциональна площади слоя

, (1)

где – поверхностное натяжение.

В равновесном состоянии, характеризуемом минимальной потенциальной энергией, жидкость принимает форму с минимальной поверхностью, т. е. форму шара. Условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Поверхностное натяжение равно силе поверхностного натяжения , приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости

. (2)

Единица поверхностного натяжения – ньютон/метр (H/м).

При комнатной температуре поверхностное натяжение большинства жидкостей имеет величину (10 -2 – 10 -1 ) Н/м.

Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение в жидкости, называются поверхностно активными. Например, мыло по отношению к воде (с 7,5×10 -2 до 4,5×10 -2 Н/м), спирты, эфиры, нефть.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Вискозиметры капиллярного типа применяются для определения вязкости материалов, обладающих относительно небольшой ее величиной: мясокостного бульона, крови и топленого жира, подсолнечных и соевых мисцелл, растворов мыла, миндального, а арахисового масел, кондитерского жира. Капиллярные вискозиметры не имеют недостатка, присущего ротацион­ным вискозиметрам: в капилляре непрерывно подвергается сдвигу вновь посту­пающая жидкость, и тепловыделения уносятся с материалом, тогда как в рота­ционных вискозиметрах один и тот же испытуемый материал находится в зазо­ре вискозиметра в течение всего опыта. Теория капиллярных вискозиметров была разработана несколько позднее, чем теория ротационных вискозиметров.

Одно время отрицали применимость капиллярных вискозиметров для определения реологических свойств материалов при сдвиге, ибо в капилляре происходит неоднородный или менее однородный, чем в ротационных виско­зиметрах, сдвиг материала.

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 имеют размер капилляра от 0,3 до 0,7 мм, что позволяет измерять вязкость в широком диапазоне. При выборе вискозиметра следует иметь в виду, что время вытекания жидкости должно составлять от 1 до 3 мин. В противном случае точность определения вязкости будет низкой.

Капиллярные вискозиметры можно разделить на три группы:

W цилиндр – поршень

W приборы истечения, постоянного и переменного уровня

К первой группе приборов относятся простейшие вискозиметры, представляющие собой U – образные трубки, в одно из колен которых помещен капилляр (ВПЖ-1, визкозиметр Уббелоде, Оствальда). В вискозиметре Уббелоде, представленном на рисунке 6а, для истечения жидкости необходимо в одном из колен принудительно создавать давление или разрежение. Капилляр в приборе располагается вертикально, что представляет определенные трудности при работе с жидкостями, обладающими значительной вязкостью и поверхностным натяжением. Далее трубки соединяются с атмосферой, и определяется время истечения жидкости из резервуара через капилляр в резервуар. Время истечения отсчитывается при снижении уровня жидкости в трубке с резервуарами от риски m1 до m2. Зная время истечения жидкости, находят измеряемую вязкость.

а – Убеллоде; б – Оствальда; 1 – емкость для измерения количества

протекающей через капилляр жидкости; 2 – капилляр; 3 – емкость для сбора

Рисунок 5 – Капиллярные вискозиметры

Капиллярные вискозиметры ВПЖ (типа Уббелоде) позволяют определять кинематическую вязкость жидкости в диапазоне от 0,6 до 104 мм 2 /с при температуре не выше 100 °С. Измерение вязкости сводится к определению времени истечения через капилляр заданного диаметра определенного количества жидкости из измерительного резервуара.

Читайте также:  Паштет из печени форели в домашних условиях

В вискозиметре Оствальда (рисунок 6б) перетекание жидкости из одного колена в другое происходит под воздействием гидростатического давления из емкости с рисками (m1 — m2) исследуемый материал протекает через капилляр. При работе на вискозиметре Оствальда подбирают такой объем испытуемой жидкости, чтобы после заполнения левого колена до верхней метки в нижней части правой емкости едва выступал мениск жидкости. Прибор помещают в термостат и укрепляют его вертикально. Жидкость термостатируют 20 -25 мин, после чего с помощью резиновой трубочки ее засасывают в левое колено до такого положения, чтобы мениск был на 2 — 3 мм выше верхней метки, и дают жидкости свободно стекать через капилляр. Когда мениск будет на уровне метки, включают секундомер и измеряют время прохождения жидкости между метками. Вязкость на приборах Уббелоде и Оствальда обычно определяют по отношению к известной вязкости стандартной жидкости (вода, касторовое масло, глицерин). Вязкости двух жидкостей, измеренные при равных условиях в одном и том же капилляре, будут относиться как

где η, η — вязкость соответственно стандартной и исследуемой жидкости, Па·с; ρ, ρ — плотность соответственно стандартной и исследуемой жидкости, кг/м 3 ; τ, τ — время истечения соответственно стандартной и исследуемой жидкости, с.от уровня m1 до уровня m2.

Рисунок 6 – Капиллярные стеклянные вискозиметры

На вискозиметре Оствадьда — Фенске (рисунок 6в) можно определять вязкость в пределах от 1 до 8000 мм 2 /с, находя время перемещения материала от уровня m1 до уровня m2.

Вискозиметр Канон — Фенске (рисунок 6г) применяется для определения вязкости непрозрачных материалов. Он имеет набор да одиннадцати капилляров диаметром от 0,3 до 4 мм, что позволяет определять скорость сдвига в пределах от 1 до 20000 с -1 , кинематическую вязкость — в пределах от 0,6 до 10000 мм 2 /с. Испытание заключается в определении времени перемещения материала из емкости 1 через капилляр 2 сначала до уровня m1; а затем до m2 и m3.Постоянные капилляра разные для емкостей 3 и 4, что необходимо учитывать при расчете вязкости. В лабораторной практике используются стеклянные вискозиметры многих авторов, причем во всех приборах перемещение материала происходит или под действием собственной массы, или под действием внешнего вакуума. Общим для всех приборов этого типа является наличие капилляра, устройства для измерения расхода или объема жидкости и системы, обеспечивающей создание гидростатического давления. В качестве капилляра может быть использована, трубка диаметром от долей миллиметра до 2 — 3 мм для измерения вязкости ньютоновских и маловязких неньютоновских жидкостей. Получаемые результаты, как правило, инвариантны, т.е. не зависят от диаметра трубки. Для неньютоновских жидкостей с более высокой вязкостью и вязкопластичных систем диаметр может достигать 10 мм и более, а результаты измерений зачастую зависят от диаметра, т.е. неинвариантны. Термостатирование исследуемой жидкости в приборах занимает 10 – 3 мин, что определяется ее объемом. За это время температура жидкости в приборе достигает температуры жидкости в термостате и восстанавливается структура, т.е. создаются условия, идентичные предыдущему измерению. При кратковременном термостатировании температурные ошибки дают существенные отклонения результатов измерения вязкости от истинных ее значений. Использование избыточного давления при течении жидкости по капилляру создает возможность турбулизации потока, поэтому необходимо проводить проверку на ламинарность по критерию Рейнольдса.

Вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2 и ВПЖ-4 рекомендуется использовать для оценки качества желатина по его вязкости. Измерения следует проводить при температуре 40 °С и концентрации 10 %. Прибор ВПЖ-1 позволяет определять вязкость мелассы и мелассных растворов при изменении температуры от 20 до 120 °С и концентрации сухих веществ от 7 до 79 %. С помощью вискозиметра Оствальда изучалась зависимость вязкости от температуры для мясокостного бульона и технической дефибрированной крови, виноградного сока, а также вязкость водно-спиртовых и водно-спиртово- сахарных растворов. В области температур 40 — 95 °С зависимость вязкости мясокостного бульона от температуры описывается степенным уравнением. С увеличением температуры и уменьшением концентрации сухих веществ вязкость бульона снижается. Например, при концентрации 16 % вязкость равна 6,67·10-3 Па·с, а при 90 °С — 2,69·10-3 Па·с. Вязкость топленого говяжьего жира при температуре 50 °С равна 29·10-3 Па·с, а при 90 °С — 10·10-3 Па·с, вязкость рыбьего жира соответственно равна 11,5·10-3 и 3,7·10-3 Па·с.

Ко второй группе относятся приборы, в которых течение материала происходит за счет, гидравлического, пневматического или механического перемещения поршня в цилиндре. (Визкозиметр типа Арвесон, Азарова и др.). Такие вискозиметры можно использовать для изучения как ньютоновских, так и неньютоновских материалов.

Вискозиметр типа Арвесон с гидравлическим приводом (рисунок 7а) состоит из цилиндра 5, поршня 3, перемещение которого происходит от нагнетаемой жидкости 2. Привод шестеренного насоса 7 осуществляется от электродвигателя 8. Давление в гидравлической системе контролируется манометром 1. Изучаемая масса 4 при помощи поршня 3 продавливается через капилляр 6, при этом замеряются давление и скорость выпрессовывания. Вискозиметр имеет 8 сменных капилляров из нержавеющей стали. При скорости сдвига 10 с -1 можно определить вязкость в пределах от 2,5 до 104 Па·с, а при скорости 1,5·10 -4 с — от 0,1 до 10 Па·с. Вискозиметр Б.М. Азарова предназначен для изучения реологических свойств высоковязких тестовых и конфетных масс. Он состоит (рисунок 7б) из рамы, системы силового гидравлического привода 1, рабочего цилиндра 2 с рубашкой 3 для термостатирующей жидкости, блока электротензометрической аппаратуры. Гидропривод состоит из насоса высокого давления, масляного бака, силового гидравлического цилиндра, двух дроссельных кранов и манометра. Рабочий цилиндр 2 с днищем 5 снабжен поршнем 6 и капилляром 4. Цилиндр, днище и капилляр имеют водяные рубашки 3, соединенные с термостатом. Электротензометрическая аппаратура состоит из датчика давления, встроенного в днище цилиндра, датчика температуры, установленного в канале капилляра, усилителя и осциллографа. Расход материала определяется при помощи резательного механизма, который представляет собой два электромагнита-соленоида, на сердечниках которых закреплен специальный нож-струна, подвешенный под обрез капилляра.

Читайте также:  Размер свечного ключа солярис

Рисунок 7 – Вискозиметры с гидравлическим приводом.

Важным преимуществом капиллярной вискозиметрии является возможность моделирования реальных технологических процессов, поэтому эти методы широко используются при исследовании формования выдавливанием, транспортирования по каналам различной длины и формы, а также определения зависимости реологических характеристик продуктов от технологических факторов.

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, который состоит из двух сосудов, расположенных один под другим. Жидкость поступает в верхний сосуд и вытекает по капилляру в нижний с более длинным капилляром. Стационарное состояние устанавливается при определенном гидростатическом столбе жидкости в нижнем сосуде. По высоте этого столба судят о значении вязкости данной жидкости.

Вискозиметры постоянного уровня (рисунок 8) основаны на наблюдении за характером струи жидкости, вытекающей из капилляра, по которому судят о величине вязкости. На определенном расстоянии от сопла-капилляра 1 происходит дробление струи, причем, чем меньше вязкость жидкости, тем меньше расстояние до места дробления. Следящее устройство в виде каретки с фотоэлементом 3 перемешается вдоль трубки 2. При прохождении фотоэлементом точки дробления в цепи меняется фототок, который регистрируется вторичным прибором.

Рисунок 8 – Вискозиметр постоянного уровня

В заключение рассмотрим три простейших капиллярных вискозиметра истечения — Энглера, Редвуда и Форда, которые хотя и не имеют теоретического обоснования, однако часто применяются в производственных технических лабораториях. К существенным недостаткам приборов относятся короткий рабочий капилляр, переменное гидростатическое давление, неточность распределения термостатирующей жидкости и др. Поэтому их не рекомендуют использовать при научных исследованиях.

Вискозиметр Энглера предназначен для определения относительного времени истечения жидкостей, т.е. для определения вязкости в градусах Энглера. На рисунке 9 дана схема такого вискозиметра марки ОВ-108 (ВНР). Резервуар 5 заполняется испытуемой жидкостью до указателя уровня 7 (около 200 см3). После удаления палочки 2 жидкость вытекает через трубку 9. При этом определяется время вытекания τж. Контрольный опыт проводится на таком же количестве дистиллированной воды с определением времени ее вытекания τж.). Вязкость в градусах Энглера определяется отношением

τж. – определяемое время истечения 200 мл испытуемой жидкости, с;

τж. — время истечения такого же объема дистиллированной воды при 20 °С.

Температура термоcтатирующей жидкости в сосуде 6 поддерживается нагревателем 5, встроенным в дно водяной бани, и регулируется тиристорным регулятором. Для выравнивания температуры имеется мешалка 10 с ручкой 1. Температура измеряется термометрами 3 и 4. Сточная трубка имеет длину 20 мм, верхний диаметр 2,9 мм и нижний — 2,8 мм. Мощность нагревателя 400 Вт. Прибор довольно широко используется для измерения вязкости различных жидкостей в производственных условиях. Для пересчета вязкости в градусах Энглера в единицы динамической вязкости в литературе имеются различные эмпирические формулы, например

где η — динамическая вязкость, Па·с; °Е — вязкость в градусах Энглера; ρ — плотность жидкости, кг/м3.

Рисунок 9 – Вискозиметр Энглера

Вискозиметр Энглера применяли для маловязких пищевых продуктов: мясокостных бульонов, растворов желатина, молочных изделий и т.п. По данным А.А. Соколова, вязкость стандартного раствора клея (17,75 % сухого вещества) при 30 °С находится в пределах от 1,8 до 6 °Е (от 0,01 до 0,045 Па·с). Вязкость мясокостного бульона при этих же условиях равна 2,1 °Е (около 0,013 Па·с). Растворы желатина той же концентрации при 40 °С имеют вязкость от 15 до 40 °Е (от 0,11 до 0,3 Па·с).

Таблица 12 – Виды ошибок капиллярной реометрии

Ссылка на основную публикацию
Вес пустого баллона из под фреона
На сегодняшний день в системах кондиционирования как бытовых, так и промышленных используются два вида фреона: 410 газ и 22, но...
Вероятность действия санитарно технических приборов
Вероятность действия водоразборных приборов на участках сети для отдельного жилого здания и для группы зданий с одинаковыми потребителями без учета...
Вес пустого баллона из под фреона
На сегодняшний день в системах кондиционирования как бытовых, так и промышленных используются два вида фреона: 410 газ и 22, но...
Виноград бордовая мантия описание сорта фото отзывы
Бордовый (Бордовая Мантия). ГФ селекции Крайнова В. Н. Раннего срока созревания (110 дней). Сильнорослая. Грозди 600-1000г, рыхлые. Ягоды в грозди...
Adblock detector