2 Сұйық тұтқырлығын вискозиметрлермен анықтау

Құралдар мен жабдықтар:

Оствальд вискозиметрі, зертханалық вискозиметр, термометр, секундомер, ультратермостат, әр түрлі концентрациялы ерітінділер жиынтығы.

Жұмыстың мақсаты: сұйықтың тұтқырлығының температура мен концентрацияға тәуелділігін зерттеу және зертханалық вискозиметрдің жұмысымен танысу.

Түтікше арқылы сұйықтың немесе газдың ағуы үшін қысымдардың кейбір айырмашылығы қажет. Ұзындығы l түтікше арқылы τ уақыт ішінде ағатын сұйықтың (газдың) V көлемі және түтікше ұштарындағы Δр қысымдардың айырмашылығы арасындағы тәуелділік Пуазейль формуласымен көрсетіледі

(2.1)

мұнда r – трубканың радиусы; η - сұйық немесе газ тұтқырлығы.

(2.1) формуласы бойынша тұтқырлықты анықтау үшін ағым ламинарлы болуы керек, яғни сұйықтың (газдың) қабаттары араласпай ағуы керек. Құйынды (турбулентті) ағын үшін Пуазейль формуласы қолданылмайды. Әдеттегі жылдамдықтарда құйындар пайда болмау үшін түтікше жіңішке болуы керек.

Тұтқырлы сұйықтың ағу сипаты толығырақ v кинематикалық тұтқырлықпен анықталады

мұнда ρ – сұйықтың тығыздығы.

Қондырғының суреттелуі

Тұтқырлықты анықтауға құралдар вискозиметрлер деп аталады.

Пуазейль формуласына енетін шамаларды r, l және Δр өлшеу қиын, сондықтан берілген вискозиметрде сұйықтың қозғалысын тұтқырлығы белгілі η₀, мысалы судың, эталонды сұйықтың қозғалысымен салыстыру әдісімен анықтауға жүгінеді.

Оствальдің капиллярлы вискозиметрі 2.1 суретте келтірілген.

Сурет 2.1.

Вискозиметрдің бір тізесі капиллярлы түтік болып келеді. Судың белгілі бір көлемін вискозиметрдің кең тізесіне құяды, ал одан кейін грушамен басқа тізеге оның деңгейі А белгісінен біраз жоғары болғанша құяды, және грушаны алып тастап, осы деңгейдің тұрақталуын бақылайды. Мениск А белгісінен өткен кезде, секундомерді қосады, ал В белгісінен өткен кезде - тоқтатады. Осылайша судың А және В белгілері арасында өту уақытын табады. Сұйықтың ламинарлы ағысы кезінде l ұзындығы бар капилляр арқылы осы көлемді өту уақыты сондай болады. Осылайша зерттелетін сұйықтың А және Б белгілері арасында өтудің τ уақытын анықтайды. Зерттелетін сұйық көлемін судың көлеміне тең етіп алады.

Капиллярдағы сұйықтар гидростатикалық қысым әсерімен қозғалады

мұнда ρ – сұйықтың тығыздығы; h – вискозиметрдің екі тізелерінде сұйықтың деңгейлерінің айырмашылығы.

Капилляр арқылы өтетін сұйықтардың тең көлемдері үшін жазуға болады

осыдан

немесе (2.2)

және формулаға қойып,(8), аламыз

немесе

осыдан

(2.3)

мұнда v – зерттелетін сұйықтың кинематикалық тұтқырлығы; v₀ – судың кинематикалық тұтқырлығы; τ – зерттелетін сұйықтың аяқталу уақыты; τ₀ – судың өту уақыты.

Құрылғының тұрақтысын белгілейік

(2.4)

Онда (2.3) формула келесі түрге келеді

v = А·τ. (2.5)

Зертханалық вискозиметр сорпаның тұтқырлығын анықтау үшін пайдаланылады. Әрекет етуінің принципі бірдей температуралар мен қысымда капиллярлардағың бірдей қималарында сұйықтардың өту жылдамдықтары осы сұйықтардың тұтқырлығына тәуелділігіне негізделген.

Пуазейль формуласынан көрініп тұрғандай, бірдей капиллярлар бойынша уақыттың бірдей аралықтары арасында сұйықтардың көлемдері осы сұйықтардың тұтқырлықтарына кері пропорционалды

Зертханалық вискозиметр бөлшектенген А₁ және А₂ капиллярлардан тұрады (сурет 2.2).

Сурет 2.2.

А₁ капиллярына дистилляцияланған сұйықтың белгілі бір мөлшерін құяды және Б кранын жабады. Бұл А капиллярына зерттелетін сұйықты құюға мүмкіндік береді, сондай-ақ судың деңгейі өзгермейді. Егер Б кранын ашып, вискозиметрде разрядталуды жасасақ, онда сұйықтардың бірдей уақыт аралығындағы жылжуы олардың тұтқырлықтарына кері пропорционалды болады

немесе (2.6)

мұнда η – зерттелетін сұйықтың тұтқырлығы; η₀ – судың тұтқырлығы.

Егер судың тұтқырлығын бірге тең деп алсақ, ал сұйық өткен жолды вискозиметрдің бір бөліміне тең болса, онда (2.6) формуласының негізінде сұйықтың тұтқырлығы осы су өткен l₀ жолына тең болады.

Жұмысты орындау тәртібі

1 Сұйықтың кинематикалық тұтқырлығын анықтау:

а) вискозиметрге судың белгілі бір мөлшерін құйыңыз;

б) судың капилляр арқылы τ₀ өту уақытын анықтаңыз.

Өлшеулерді үш рет қайталаңыз және ₀ есептеңіз;

в) құрылғының тұрақты А есептеңіз [(2.4) формуласы];

г) әр түрлі концентрациялы С зерттелетін сұйықтардың ағу τ уақытының өлшеуін жүргізіңіз және (әрбіреуі үшін үш өлшемнен) әрбір концентрация үшін τ табыңыз;

д) зерттелетін сұйықтардың v кинематикалық тұтқырлығыны есептеңіз [(2.5) формуласы];

е) Өлшеулер мен есептеулер нәтижелелерін 2.1 кестеге еңгізіңіз;

Кесте 2.1

τ01,c	τ02,c	τ03,c	0, c	A, м2/с2	С, %	τ1,c	τ2,c	τ3,c	, c	v, м2/с

ж) сенімді ықтималдылығы р = 0,95 тең әрбір концетрация үшін сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының қателігін есептеңіз Δv;

з) концентрациядан сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының тәуелділік графигін құраңыз;

и) вискозиметрді ультратермостатқа орналастырыңыз және температураның бірнеше мәндерінде сұйықтың өту уақытын өлшеңіз. Әрбір өлшеуді үш рет қайталаңыз және τ тауып алыңыз. Әрбір температурада сұйықтың кинематикалық тұтқырлығын есептеңіз;

к) өлшеулер мен есептеулердің нәтижелелерін 2.2 кестеге енгізіңіз;

Кесте 2.2

t,°с	τ1, c	τ2, с	τ3, с	, с	v, м2/с

л) сенімді ықтималдылығы р = 0,95 тең әрбір температура үшін сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының өлшеуінің қателігін есептеңіз Av;

м) сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының температурадан тәуелділік графигін салыңыз.

2 Сұйықтың тұтқырлығын зертханалық вискозиметрмен анықтау:

а) Б кранын ашыңыз және А капиллярдың бос ұшын дистилляцияланған суға салыңыз;

б) ауызға шыны ұшты алыңыз Н және суды 0 белгісіне дейін баяулап тартып, Б кранын жабыңыз;

в) 0 белгісіне дейін басқа капиллярға зерттелетін сұйықты енгізіңіз;

г) Б кранын бұраңыз, А капиллярын тройникпен қосыңыз;

д) баяулап ауаны Н ұшы арқылы сорыңыз. Зерттелетін сұйықтық l белгісіне дейін жеткен кезде капиллярда τ₀ судың орналасуы салыстырмалы бірліктерде осы сұйықтың тұтқырлығын көрсетеді;

е) зерттелетін сұйықтың η тұтқырлығын есептеңіз [(2.6) формуласы]. Тәжірибені үш рет қайталаңыз және тауып алыңыз;

ж) өлшеулер мен есептеулердің нәтижелерін 2.3 кестеге енгізіңіз.

Кесте 2.3

l, шкала бөлімдері	η, Па·с	, Па·с

Сұрақтар мен тапсырмалар

1 Пуазейль формуласын жазыңыз.

2 Оствальд вискозиметрі не болып келеді?

3 Тұтқырлықты Оствальд әдісімен анықтау үшін формула шығарыңыз.

4 Осы әдіспен сұйықтың тұтқырлығын өлшеген кезде қандай шарттар орындалуы керек?

5 Лабораториялық вискозиметрдің құрылғысы мен жұмысының принципін суреттеңіз.

6 Лабораториялық вискозиметрдің көмегімен сұйықтың тұтқырлығын анықтау үшін есептік формуланы жазыңыз.

Өздік бақылау үшін тапсырмалар

1 Пуазейль формуласын көрсетіңіз:

а) ;

б) ;

в) ;

г) ;

д) .

2 Кинематикалық тұтқырлықтың СИ бірлігін көрсетіңіз:

а) Па;

б) Па·с;

в) Па·м;

г) м/с;

д) м²/с.

3 Оставальд вискозиметрі мен лабораториялық вискозиметрде капиллярлы түтікшелер бойынша сұйықтың ағуы не үшін қолданылады:

а) ағыс жылдамдығының ұлғаюы;

б) сұйық көлемінің кішіреюі;

в) ағыс жылдамдығының төмендеуі;

г) ламинарлы ағыстың пайда болуы;

д) турбулентті ағысты құру үшін.

4 Сұйықты қыздырған кезде оның тұтқырлығы:

а) ұлғаяды;

б) өзгеріссіз қалады;

в) кішірейеді;

г) он есе ұлғаяды;

д) бұрыңғы деңгейде қалады.

5 Бірдей капиллярлар бойынша уақыттың тең аралықтары арасында ағатын сұйықтардың көлемдері:

а) олардың тұтқырлықтарына тура пропорционалды;

б) тұтқырлыққа кері пропорционалды;

в) сұйықтардың тұтқырлықтарына тәуелді емес;

г) олардың тұтқырлықтарының квадраттарына тура пропорционалды;

д) олардың тұтқырлықтарының квадраттарына кері пропорционалды.