Měření dynamické viskozity kapalin Měření dynamické viskozity kapalin Úkol č : Změřte dynamickou viskozitu denatuovaného lihu a stolního oleje Ubbelohdeho viskozimetem Pomůcky Ubbelohdeův viskozimet, vodní lázeň 5000 ml, teplomě laboatoní s ozsahem 0-50 C, kádinka 000 ml, skleněná nálevka, stopky, injekční stříkačka, destilovaná voda, denatuovaný líh, stolní olej Teoie Pohybují-li se dvě sousední vstvy kapaliny, vzdálené od sebe o dy, ůznými ychlostmi v a dv, pak mezi nimi vzniká následkem vnitřního tření tečné napětí dv =, () dy uu uu přičemž dv dy Konstanta úměnosti je po ůzné kapaliny ůzná a nazývá se dynamická viskozita Její jednotkou v SI je N s m dané kapaliny při téže teplotě Pa s = Podíl dynamické viskozity a hustoty ρ ν =, () ρ nazýváme kinematickou viskozitou a její jednotkou v SI je m s Viskozita výazně závisí na teplotě U kapalin s ostoucí teplotou ychle klesá, u plynů oste přímo úměně s duhou odmocninou z absolutní teploty Viskozitu měříme přístoji zvanými viskozimety Měření viskozity kapalin kapiláním viskozimetem je založeno na skutečnosti, že doby půtoku a stejných objemů dvou ůzných kapalin toutéž kapiláou jsou ve stejném poměu jako jejich ν kinematické viskozity ν a ν Platí tedy =, odkud po dosazení z () dostáváme ν ρ =, (3) ρ kde a jsou příslušné dynamické viskozity Jestliže dynamickou viskozitu duhé kapaliny známe (duhou kapalinu pak označujeme jako sovnávací), můžeme ze vztahu (3) neznámou viskozitu pvní kapaliny vyjádřit jako
Měření dynamické viskozity kapalin ρ = (4) ρ Při měření použijeme kapilání půtokový viskozimet Ubbelohdeho konstukce (ob) Viskozimet musí být při měření půtoku ve svislé poloze Aby bylo možné použít vztahu (4), musí mít zkoumaná i sovnávací kapalina stejnou teplotu Z tohoto důvodu je viskozimet umístěn v přesně tempeované vodní lázni Postup měření Do nejšišího amene () Ubbelohdeho viskozimetu umístěného do přesně tempeované vodní lázně nalijeme takový objem zkoumané kapaliny (denatuovaný líh, stolní olej), aby její hladina po nalití byla mezi yskami R a R Vyčkáme 4 5 minut, než se kapalina zahřeje na teplotu lázně 3 Na tubici s kapiláou (3) nasadíme hadičku s balónkem (nebo injekční stříkačkou) a jeho stlačením (nebo nasátím vzduchu do stříkačky) a ucpáním tubice () pstem přemístíme kapalinu do tubice (3) nad její ozšířenou honí část (nad ysku R 3 ) 4 Po odstanění balónku a odkytí tubice () necháme zkoumanou kapalinu potékat kapiláou a přitom měříme časový inteval mezi okamžiky, v nichž klesající hladina míjí ysky R 3, R 4 viskozimetu Měření povedeme celkem pětkát, naměřené hodnoty si zapíšeme do předem připavené tabulky (Tabulka ) 5 Zkoumanou kapalinu z viskozimetu vylijeme, popláchneme ho destilovanou vodou a měření zopakujeme po tuto sovnávací kapalinu o známé viskozitě Před pvním měřením je opět třeba počkat 4 5 minut, než se voda zahřeje na příslušnou teplotu Dobu jejího půtoku změříme ovněž pětkát 6 Hustotu zkoumané kapaliny ρ změříme hustoměem Hustotu ρ a viskozitu po změřenou teplotu sovnávací kapaliny nalezneme v tabulkách 7 Získané hodnoty,, ρ, ρ a dosadíme do vztahu (4) Obázek : Ubbelohdeho kapilání viskozimet Tabulka : Zpacování měření času půtoku kapaliny viskozimetem n 3 4 5 = = (s ) = = = (s ) =
Měření dynamické viskozity kapalin 3 Chyba měření Chybu měření vyhodnotíme jako chybu nepřímého měření Ze vztahu (4) vyplývá, že =,, ρ nepřímo měřená dynamická viskozita je funkcí tří přímo měřených veličin ( ) ( a ρ jsou hodnoty z tabulek, budeme je považovat za konstanty) Chybu měření poto udává vztah ρ = + + ρ (5) Po dosazení paciálních deivací ρ =, = ρ ρ ρ = ρ ρ a do (5) s využitím vztahu (4) ρ = + + ρ (6) Chybu měření časových intevalů, vypočítáme při zpacování výsledků přímého měření podle Tabulky, střední chybu hustoty ρ volíme podle použitého hustoměu (polovina nejmenšího dílku stupnice) Dopoučená liteatua SKLENÁK, L Základní paktikum z fyziky I vyd Ostava: PdF v Ostavě, 988 540 Měření viskozity, s 00 54 Měření viskozity kapalin kapiláním viskozimetem, s 00-0 BROŽ, J A KOL Základy fyzikálních měření I vyd Paha: SPN, 967 53 Kapilání (výtokové) viskozimety, s 36-38 MÁDR, V, KNEJZLÍK, J, KOPEČNÝ, J Fyzikální měření Paha: SNTL, 99 0 Dynamická a kinematická viskozita, s 0
Měření dynamické viskozity kapalin 4 Úkol č : Změřte dynamickou viskozitu denatuovaného lihu a stolního oleje pomocí tělískového viskozimetu (Stokesovou metodou) Pomůcky: Tělískový viskozimet, laboatoní teplomě s ozsahem 0-50 C, kádinka 00 ml, skleněná nálevka, stopky, destilovaná voda, denatuovaný líh, stolní olej, tabulky, utěka Teoie: Tělískové viskozimety jsou zařízení, u kteých se dynamická viskozita učuje z ychlosti pádu tělíska v měřené kapalině V našem případě použijeme sovnávací metodu Nejpve změříme čas pádu tělíska v kapalině, jejíž dynamickou viskozitu e známe (např destilovaná voda) a stanovíme konstantu K, chaakteistickou po dané tělísko (kuličku) K e =, () ( ρ ρ) kde ρ je hustota kuličky, ρ je hustota kapaliny, jejíž viskozitu známe a je doba pádu tělíska v této kapalině Pomocí zjištěné konstanty můžeme stanovit dynamické viskozity jiných kapalin podle vztahu kde ( ) = K ρ ρ, () je neznámá viskozita zkoumané kapaliny, ρ její hustota, ρ hustota kuličky, a je doba pádu tělíska ve zkoumané kapalině Dosazením vztahu () do () získáme výsledný vztah po neznámou viskozitu ( ρ ρ ) e = (3) ( ρ ρ ) Postup měření: Změříme teplotu destilované vody a v tabulkách najdeme hustoty jednotlivých kapalin (destilované vody, stolního oleje a denatuovaného lihu) U destilované vody zjistíme také její dynamickou viskozitu a všechny zjištěné hodnoty si zapíšeme Viskozimet ustavíme do ovnovážné polohy podle obázku (Obázek ), vzduchová bublinka musí být přesně ve středu tečíku a Uvolníme šoubový uzávě b, vytáhneme pyžovou zátku (Obázek 3) a nalijeme destilovanou vodu tak, aby hladina kapaliny byla cca 0 mm pod honím okajem měřící tubice b A C B a
Měření dynamické viskozity kapalin 5 3 Vybeeme kuličku (Obázek 3 a 4) a z Tabulky si zapíšeme její hustotu ρ 4 Kuličku vložíme do měřící tubice (Obázek 3), zatlačíme pyžovou zátku (část kapaliny musí vytéct kapiláou, tím se kapalina zbaví vzduchových bublin) a zašoubujeme Pomocí otočného uložení dvakát překlopíme měřící tubici a necháme kuličku popadnout celým objemem měřící tubice (tím se zajistí homogenita kapaliny) Nyní je již vše připaveno k měření 5 Po překlopení měřící tubice vždy měříme čas, za kteý kulička ovnoměným pohybem uazí vzdálenost mezi koužky A a B (Obázek ) Po danou kapalinu povedeme deset měření, hodnoty zapisujeme do tabulky (Tabulka 3) 6 Vylijeme destilovanou vodu a měřící tubici důkladně očistíme 7 Do měřící tubice nalijeme denatuovaný líh a povedeme Obázek : Popis hlavních součástí viskozimetu kapiláa pyžová zátka Obázek 3: Popis hlavních součástí měřící tubice deset měření Po skončení měření kapalinu vylijeme a důkladně vyčistíme měřící tubici 8 Do měřící tubice nalijeme stolní olej a opět povedeme deset měření Hodnoty zapisujeme do Tabulky 3 9 Celý přístoj důkladně vyčistíme lihem 0 Získané hodnoty dosadíme do vztahu (3) a výsledek zapíšeme ve tvau ( ± ) = 3 6 5 4 Obázek 4: Sada kuliček Tabulka : Hustoty kuliček uváděné výobcem číslo kuličky hustota (kgm -3 ) polomě (mm) mateiál 00 7,9 boito-křemičité sklo 00 7,8 boito-křemičité sklo 3 800 7,8 slitina Fe - Ni 4 800 7,6 slitina Fe - Ni 5 7900 7 ocel 6 7900 5,5 ocel Tabulka 3: Zpacování výsledků měření doby Dopoučujeme vybat kuličku č 3 V půběhu měření již nelze kuličku měnit Můžete odšoubovat oba uzávěy a tubicí potáhnout gumové kolečko na tyčince
Měření dynamické viskozity kapalin 6 n 0 půchodu kuličky mezi koužky A a B = = (s ) = Chyba měření: Chybu měření vyhodnotíme jako chybu nepřímého měření Pokud budeme tabelované hodnoty, ρ, ρ a ρ považovat za konstanty, potom ze vztahu (3) vyplývá, že nepřímo e = Chybu měřená dynamická viskozita je funkcí dvou přímo měřených veličin ( ) měření poto udává vztah, = + (4) Po dosazení paciálních deivací (s využitím (3)) = a = do (4) a úpavách získáme vztah = + Chybu měření časových intevalů přímého měření podle Tabulky 3, vypočítáme při zpacování výsledků Dopoučená liteatua SKLENÁK, L Základní paktikum z fyziky I vyd Ostava: PdF v Ostavě, 988 54 Měření viskozity kapalin Stokesovou metodou, s 03-05 BROŽ, J A KOL Základy fyzikálních měření I vyd Paha: SPN, 967 53 Tělískové viskozimety, s 38-39 MÁDR, V, KNEJZLÍK, J, KOPEČNÝ, J Fyzikální měření Paha: SNTL, 99 0 Dynamická a kinematická viskozita, s 0