Лаб.определение вязкости

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Димитровградский инженерно-технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ

Кафедра радиохимии

Определение вязкости

жидкостей

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Поверхностные явления и дисперсные системы»

Составитель: доц., к.т.н. Цимбалюк Е.П.

Димитровград 2012

Цель работы: Знакомство с одним из методов определения кинематической вязкости жидкости и исследование зависимости кинематической вязкости жидкости от концентрации растворов.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Основные понятия

Вязкость жидких дисперсных систем относится к числу важнейших характеристик. Под структурой тела понимают пространственное расположение его составных частиц: атомов, молекул, агрегатов их и т.д.

Жидкие и жидкообразные системы при структурировании приобретают свойства, сочетающие в себе свойства твердых тел и жидкостей. Комплекс этих свойств, называемых структурно-механическими, включает в себя прочность, упругость, пластичность и вязкость.

Изучаются эти свойства методами реологии. Реология изучает механические свойства систем по проявлению деформации под действием внешних напряжений.

Деформация - это относительное смещение точек системы, при котором не нарушается ее сплошность.

Напряжение, вызывающее деформацию, – есть отношение силы к площади ее приложения. Различают деформации обратимые и остаточные. Обратимые деформации исчезают после прекращения действия силы. Тела, обратимо восстанавливающие первоначальную форму после снятия нагрузки, называются упругими телами. Остаточные деформации не исчезают после снятия нагрузки. Тела, обнаруживающие остаточную деформацию при напряжениях превышающих их предел упругости, называются пластичными. Одним из видов остаточной деформации является течение, характерное для жидкостей, при котором величина деформации непрерывно увеличивается при постоянно действующем напряжении.

Вязким называется тело, изменяющее свою форму при любом сколь угодно малом напряжении, то есть тело, предел текучести которого равен нулю РТ=0.

1.2. Классификация жидких дисперсных систем

Существует несколько классификаций дисперсных систем, основанных на различных признаках и свойствах их. В соответствии с классификацией, основанной на реологических свойствах, все реальные тела делятся на жидкообразные и твердообразные . Схема классификации

жидкообразных систем (тел) приведена на рис.1.

жидкообразные системы

ньютоновские жидкости

неньютоновские жидкости

нестационарные неньютоновские жидкости

стационарные неньютоновские жидкости

псевдопластическиененьютоновские жидкости

дилатантные неньютоновские жидкости

Рис.1. Классификация жидких дисперсных систем на основе реологических свойств

Ньютоновскими жидкостями называются системы, вязкость которых не зависит от напряжения сдвига и является постоянной величиной в соответствии с законом Ньютона .

Неньютоновские жидкости не подчиняются закону Ньютона и их вязкость зависит от напряжения сдвига.

Стационарные неньютоновские жидкости характеризуются постоянством во времени их реологических свойств, а нестационарные – изменением этих свойств с течением времени.

Псевдопластические стационарные неньютоновские жидкости – это жидкости, ньютоновская вязкость которых уменьшается с ростом скорости дефомации сдвига.

Дилатантные жидкости – это жидкости, для которых характерно увеличение ньютоновской вязкости с возрастанием скорости деформации сдвига.

Реологические  свойства  идеальных жидкостей 

Реологические свойства идеально вязких тел (идеальных жидкостей) подчиняются закону Ньютона. Согласно этому закону напряжение сдвига при ламинарном течении жидкости с вязкостью пропорционально градиенту ее скорости

(1)

где – напряжение сдвига, Па;

— коэффициент вязкости или вязкость, Па  с

При плоскопараллельном движении двух слоев жидкости происходит сдвиг одного слоя относительно другого. Если скорость движения слоев жидкости обозначить через dy/dt, то получим следующее выражение

(2)

где – скорость деформации сдвига, с–1;

Таким образом закон Ньютона можно записать следующим образом: напряжение сдвига прямо пропорционально скорости деформации сдвига

(3)

График зависимости для идеальных жидкостей в соответствии с формулой (3) имеет вид прямой линии, исходящей из начала координат. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс определяет величину вязкости (), а к оси ординат – величину текучести.

Часто вязкость выражают в виде отношения коэффициента вязкости и плотности:

, (4)

где – плотность жидкой системы, кг/м3;

– кинематической вязкость, м2/с;

— динамическая вязкость, Па·с

Единицей динамического коэффициента вязкости в системе СИ — Па·с (в системе СГС – П(пуаз): 1 Па·с=0,1П).

Единицей кинематического коэффициента вязкости в системе СИ – м2/с (в системе СГС – Ст(стокс или 1 см2/с): 1 м2/с=104Ст).

Применение закона Ньютона к ламинарному течению жидкостей в цилиндрическом капилляре или трубке радиуса r и длиной приводит к формуле Пуазейля для объемной скорости течения ():

, (5)

где – постоянная для данной трубки величина;

– разность давления на концах трубки.

Реологические  свойства  жидкообразных структурированных систем

Неньютоновские жидкости проявляют отклонения от закона Ньютона, заключающиеся в непостоянстве зависимости вязкости при изменении напряжения сдвига, что связано с особенностями их внутреннего строения. На рис. 2 приведены некоторые варианты кривых течения неньютоновских жидкостей в зависимости от приложенного напряжения. По характеру этих зависимостей можно определить их вид в соответствии с классификацией (рис.1).

Для псевдопластических жидкостей характерно, что их вязкость растет с увеличением скорости течения (рис. 2, кривая 3) или напряжения сдвига. Кривая течения такой жидкости также проходит через начало координат, но идет ниже кривой течения ньютоновой жидкости.

Рис. 2. Кривые течения ньютоновой (1), дилатантной (2), псевдопластической (3) и твердообразной (4) жидкостей

При течении дилатантных жидкостей их вязкость уменьшается с ростом приложенного напряжения сдвига (рис. 2, кривая 2). Дилатантные системы называют также растекающимися. Многие порошки и уплотненные дисперсные материалы проявляют склонность к растеканию. При малых давлениях (при сдвиге), прежде чем отдельные частицы смогут двигаться друг относительно друга, их взаимная упаковка становится более рыхлой и система увеличивается в объеме.

Твердообразные системы в отличие от жидкостей проявляют признаки течения лишь после приложения некоторого минимального напряжения сдвига. Это означает, что их предел текучести (напряжение сдвига, ниже которого эти системы не текут) не равен нулю. Из твердообразных систем наиболее широко распространены разнообразные гели, пасты, мази, кремы. Их реологические кривые не проходят через начало координат, а сдвинуты от него вправо на величину предела текучести (рис. 2, кривая 4).

В общем виде поведение твердообразных систем приведено на рис.3. Для них вязкость не является постоянной величиной и зависит от прилагаемой нагрузки (напряжение сдвига в уравнении Ньютона).

Рис. 3. Кривые течения твердообразных структурированных систем.

PТ – динамическое предельное напряжение сдвига; PМ – мимнимальное напряжение сдвига, отвечающее полностью разрушенной структуре

Прямая I соответствует поведению ньютоновской жидкости, а кривая II отвечает течению структурированной (неньютоновской) жидкости. На кривой II прямолинейный участок ОА соответствует малым скоростям течения, при которых системе наносятся незначительные повреждения и разрушения, связанные с течением, успевают тиксотропно восстанавливаться. На этом отрезке течение системы происходит без разрушения ее структуры. Это так называемое явление ползучести, оно протекает при максимальной вязкости системы (max).

Далее, с ростом напряжения (Р), начинается постепенное разрушение временных контактов между элементами структуры и образование других. В результате возникает динамическое равновесие, скорость деформации (течения) резко возрастает и для многих пластичных систем реологическая кривая выходит на прямолинейный участок ВС кривой II, соответствующий так называемой пластической вязкости (*) системы. Экстраполяция прямой ВС на ось Р дает значение Pт, которое количественно характеризует сдвиговую прочность структуры и называется предельным динамическим напряжением сдвига.

Таким образом, вязкость структурированной системы в процессе течения под действием возрастающего напряжения сдвига изменяется от max , отвечающего не разрушенной структуре, до min , характерного для полностью разрушенной структуры. Разность значений этих величин может составлять несколько порядков и характеризует, наряду с PТ , прочность жидкообразной системы.

Так для суспензий бентонитовых глин max  107, min  10–1 П, для подсолнечного масла эта разность составляет 104 раз, то есть прочность структуры бентонитовых глинистых суспензий намного больше, чем подсолнечного масла.

Изменение вязкости широко используется на практике. Для перекачки структурированных жидких систем (нефть, подсолнечное и другие масла) необходимо создать такую скорость, которая бы соответствовала минимальной вязкости, а при перевозе в емкостях – наоборот.

Вязкость коллоидных систем

Вязкость жидкостей может сильно меняться в присутствии дисперсной фазы. Вязкость гидрофобных золей при малой концентрации почти не отличается от вязкости растворителя, и такие растворы подчиняются закону Ньютона. Но при увеличении концентрации дисперсной фазы вязкость золя возрастает. Она становится больше вязкости растворителя даже в области относительно невысоких концентраций, где этот раствор подчиняется закону Ньютона. Это объясняется тем, что частицы дисперсной фазы препятствуют прямолинейному течению слоев жидкости. Их приходится обтекать, траектория течения удлиняется. В единицу времени в такой системе протекает меньше жидкости, т. е. вязкость растет. На рис.4 приведено течение жидкости, содержащей гетерофазные (коллоидные) включения.

Рис.4. Обтекание потоком коллоидной частицы

Если такая частица попадает в поток с градиентом скорости, то слои жидкости, обтекающие частицу справа и слева будут иметь различные скорости. В ситуации, изображенной на рис. 4 левые слои имеют меньшую скорость, чем правые. Это приведет к тому, что частица начнет вращаться. Вращающаяся частица занимает больший кажущийся объем, что вызывает увеличение вязкости. Более того, гетерофазные включения не только удлиняют траекторию движения слоев жидкости, но благодаря вращению могут частично перемешивать слои, что отразится на нарушении ламинарности течения.

Эйнштейн установил зависимость вязкости раствора от концентрации взвешенных частиц

, (6)

где – вязкость дисперсной системы,

– коэффициент, определяемый формой частицы (для сферических частиц (), для частиц удлиненной формы α > 2,5.

 – объемная доля дисперсной фазы.

Для многих коллоидных растворов вязкость изменяется с изменением давления, т. е. они не подчиняются закону Ньютона. Это вызвано наличием структурной вязкости у таких систем. Структурная вязкость вызвана наличием агрегатов коллоидных частиц или ассоциатов макромолекул – внутренних структур. При движении в потоке с градиентом скорости эти структуры разрушаются, что приводит к уменьшению вязкости, т. е. структурная вязкость – это дополнительная к ньютоновой вязкость систем, вызванная добавочным сопротивлением течению со стороны внутренних пространственных структур.

Вязкость растворов полимеров

Характерной особенностью растворов полимеров является их высокая вязкость даже при очень больших разбавлениях. Они подчиняются закону Ньютона только при самых малых концентрациях (0,1– 0,01 вес. %), а при больших концентрациях не подчиняются этому закону. Такое поведение связано с особенностями строения полимеров. В растворе молекула полимера может принимать самые различные формы: от плотно упакованной глобулы до выпрямленной молекулы. При хорошем взаимодействии молекулы полимера с растворителем она принимает форму статистического клубка. При этом форма клубка может изменяться при его попадании в поток с градиентом скорости. Кроме того, молекулы полимеров могут взаимодействовать друг с другом, образуя ассоциаты и легко разрушаемые структуры. Наконец, молекулы полимера могут зацепляться друг за друга и такие зацепления разрушить уже достаточно трудно.

При всем многообразии и неоднозначности поведения полимеров в растворах вязкость этих растворов зависит от молекулярной массы полимера.

Запишем уравнение Эйнштейна (6) в виде относительной

(7)

и удельной вязкостей дисперсной системы

, (8)

Для разбавленных растворов полимеров с короткими и жесткими цепями вытянутой формы Штаудингер, основываясь на теории Эйнштейна, вывел уравнение, связывающее удельную вязкость с концентрацией полимера:

,(9)

где – концентрация раствора полимера,

– молекулярная масса полимера,

– константа для данного гомологического ряда в растворителе.

Отношение ( ) называют приведенной вязкостью () и согласно уравнению Штаудингера это значение не должно зависеть от концентрации. Однако, для большинства полимеров из-за взаимодействия макромолекул, растет с ростом концентрации, поэтому для определения молекулярной массы используют ее предельное значение при стремлении концентрации к нулю []. Для этого определяют значения при нескольких концентрациях, строят зависимость (с) и полученную кривую экстраполируют к нулю (рис. 5).

Рис.5. Зависимость приведенной вязкости раствора полимера от концентрации

По графику определяют значение [η]. Для вычисления молекулярной массы используют более точное уравнение Марка–Куна–Хаувинка

, (10)

которое учитывает изменение гибкости макромолекул с изменением молекулярной массы. Величина α характеризует форму молекулы полимера в растворе, которая связана с гибкостью цепей, а константа К, как и ранее, постоянна для данного гомологического ряда. Таким образом, для каждой пары полимер – растворитель характерны свои значения К и α. При увеличении жесткости макромолекул величина α приближается к единице и уравнение Марка–Куна–Хаувинка переходит в уравнение Штаудингера.

Методы определения вязкости

Предложено много конструкций приборов для измерения вязкости жидкостей (вискозиметров). В зависимости от области применения они могут быть разделены на: вискозиметры для жидкостей с малой и средней вязкостью, вискозиметры для высоковязких жидкостей, приборы, с помощью которых можно вместе с вязкостью определять предельное напряжение сдвига и другие показатели механических свойств дисперсных систем. Последние приборы называются пластометрами, эластовискозиметрами или пластовискозиметрами.

Кроме того, существует еще много специальных вискозиметров. По принципу действия наиболее распространенные вискозиметры делятся на капиллярные, ротационные и вискозиметры с падающим шариком.

Использование капиллярных вискозиметров основано на уравнении Пуазейля (5). Основная деталь этих вискозиметров – тонкая трубка – капилляр, через которую протекает исследуемая жидкость. Разность давлений () на концах капилляра чаще всего обеспечивается силой тяжести самой жидкости, но в случае жидкостей повышенной вязкости разность давлений () создается за счет внешних устройств. Наиболее известные вискозиметры (Оствальда, Убеллоде, Оствальда-Пинкевича и др.) представляют собой — образную трубку, в одно из колен которой впаян капилляр. Общий вид вискозиметра Оствальда ВПЖ-2 приведен на рис.6.

Рис.6. Вискозиметр капиллярный стеклянный ВПЖ-2

Разность давлений (), которая обеспечивает истечение жидкости через капилляр вискозиметр, равна:

, (11)

где – разность высоты уровней жидкости между метками М1 и М2 вискозиметра, – плотность раствора, – ускорение свободно падения.

Объемная скорость истечения жидкости через капилляр () равна:

, (12)

где – объем жидкости от отметки до метки ,

– время истечения жидкости этого объема, с.

Тогда из уравнения (5) подставив (11) и (12) получаем:

, мм2/с (13)

где , т.е. постоянная для данного вискозиметра величина.

Для вискозиметра заводского номера №394 К=0,003275 мм22,

а для № 447 К=0,003250 мм22.

Перед определением вязкости жидкости вискозиметр должен быть тщательно вымыт растворителем (бензин, ацетон или спирт) и высушен. Затем промывают дистиллированной водой и сушат. Для измерения времени течения жидкости на отводную трубку (3) надевают резиновый шланг. Затем зажав пальцем колено (2) и перевернув вискозиметр, опускают колено (1) в сосуд с исследуемой жидкостью и засасывают ее с помощью груши или иным способом до отметки М2, обеспечивая отсутствие пузырьков воздуха. При достижении уровня М2, вискозиметр вынимают из сосуда с исследуемым раствором и быстро переворачивают в исходное состояние. На колено 1 одевают резиновую трубку. Вискозиметр помещают в термостат так, чтобы расширение 5 было ниже уровня жидкости (рис.7).

Рис.7. Схема установки для определения вязкости раствора

После выдержки в термостате не менее 10 мин при заданной температуре засасывают жидкость в колено (5) до одной трети высоты. Сообщают колено (1) с атмосферой и определяют время опускания мениска жидкости от отметки М1 до отметки М2. Вязкость вычисляется по формуле (13) по среднему времени истечения жидкости.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Исследование зависимости коэффициента вязкости водного раствора глицерина от концентрации Цель работы – установить зависимость коэффициента вязкости раствора глицерина от концентрации.

Вискозиметр, предварительно промытый и просушенный, заполнить исследуемой жидкостью, как указано в разделе 1.7, погрузить в большой химический стакан с водой при заданной (чаще всего комнатной) и постоянной температуре и закрепить его в штативе так, чтобы верхняя метка трубки 1 вискозиметра оказалась ниже уровня воды в стакане.

Через 10 минут, когда температура воды в вискозиметре и термостате сравняется, с помощью резиновой груши через шланг на отводной трубке 1 осторожно засосите жидкость в колено (5) до одной трети высоты. Убрать шланг с колена (1) и определить время опускания мениска жидкости от отметки М1 до отметки М2. Опыт повторите 3 раза, при этом время истечения жидкости (воды) в каждом из них не должно отличаться больше, чем на 0,5 секунды. Среднее время истечения воды (tH2O) занесите в табл. 1. После этого промойте вискозиметр исследуемым раствором глицерина и аналогичным способом определите среднее время его истечения. Так проделайте опыты для растворов всех предложенных преподавателем концентраций глицерина, начиная с самой низкой и заканчивая самой высокой концентрацией. Результаты занесите в таблицу 1. По формуле (13) рассчитайте значение динамической вязкости каждого из растворов () и относительной вязкости (). Постройте график зависимости от концентрации раствора глицерина.

В выводе по работе укажите, как изменяется вязкость раствора глицерина с увеличением его концентрации.

Таблица 1. Результаты опытов по измерению вязкости

п/п

Концентрация раствора

Время истечения,

t, с

Плотность раствора, г/мл

,

мм2/сек

1

0 (H2O)

2

3

4

5

6

7

2.2. Определение молекулярной массы полимеров

Цель работы - определение характеристической вязкости и молекулярной массы желатина вискозиметрическим методом.

Предварительно готовят раствор желатина путем растворения 0,5г желатина в 100 мл дистиллированной воды при нагревании. Раствор охлаждают и приготавливают 5 растворов из исходного с заданной концентрацией по 50 мл каждого.

Для расчета объема исходного раствора, необходимого для приготовления 50мл более разбавленного, удобно пользоваться следующей формулой:

  (14)

где Сзад - заданная концентрация растворов;

Со - исходная концентрация раствора (Со=0,5г/100мл);

V - объем исходного раствора.

Объем исходного раствора и воды, необходимые для приготовления растворов заданной концентрации, заносят в табл.2. Взять бюреткой рассчитанный объем исходного раствора желатина, помещают в 50 мл мерную колбу и добавляют воду до метки; раствор перемешивают. После чего выдерживают 10-15мин для выравнивания концентрации полимера за счет диффузии.

Заполняют дистиллированной водой вискозиметр, как это описано в разделе 1.7 и фиксируют время протекания между двумя метками. Измерение времени производят 3 раза, чтобы расхождение в параллельных измерениях составляло не более 0,5с. После этого измеряют время протекания растворов желатина, описанным выше способом, начиная с самого разбавленного.

Переходя к раствору более высокой концентрации, нужно по возможности более тщательно промыть вискозиметр и высушить.

Результаты заносятся в табл.2.

Таблица 2. Результаты исследований вязкости растворов желатина

Концентрация раствора желатина Сзад, г/100 мл воды

0,03

0,06

0,125

0,25

0,5

0 (вода)

Vисх.р-ра, мл.

Vводымл.

t, сек

1

2

3

 , сек

to=

Расчет вязкости η, мм2/с по формуле 13

Расчет ηуд по формуле 8

Расчет ηпруд

Строят график зависимости приведенной вязкости ηпр от С и находят характеристическую вязкость [η] при С0 (рис.5).

Рассчитывают молекулярную массу желатина из формулы (10), после следующих преобразований:

; ; (15)

Значение k и α берут из табл. 3.

Таблица 3. Значения постоянных для полимеров

№ п/п

Полимер

Растворитель

k104

α

1

Поливинилацетат

ацетон

2,8

0,67

2



Страницы: 1 | 2 | Весь текст