В'язкість - властивість рідин і газів чинити опір переміщенню однієї їх частини щодо іншої при різних видах деформації. Кількісною характеристикою в'язкості є динамічна і кінематична в'язкості.
Динамічна в'язкість, або коефіцієнт в'язкості (символ eta, Па • с) визначається з рівняння
(8.7)
де dF - сила внутрішнього тертя, що діє на площадку dS внутрішнього шару рідини при градієнті швидкості dv / dl, з-1.
Позасистемна одиниця коефіцієнта в'язкості - пуаз (П): 1 П = 0,1 Па • с. Коефіцієнт в'язкості води при 20 ° С досить точно дорівнює 0,01 П або 1 сп (сантіпуаз). Більш точне значення eta (Н2О) при 20 ° С дорівнює 0,010019 ± 0,000003 П.
Кінематична в'язкість (символ v, м2 / с) - величина, що дорівнює відношенню коефіцієнта в'язкості рідини до її щільності р:
(8.8)
Одиниця кінематичної в'язкості, що дорівнює 1 см2 / с, отримала назву Стокса (Ст). Величина, зворотна коефіцієнту в'язкості,
(8.9)
є плинністю рідини.
Відносна в'язкість (символ etaот, безрозмірна величина) дорівнює відношенню коефіцієнта в'язкості рідини etaв до значення коефіцієнта в'язкості чистого розчинника - еталонної рідини з відомим значенням etaе;
(8.10)
Зазвичай в якості еталонної рідини застосовують воду, для якої при 20 ° С etaе = 1,0019 сп = 1,0019 10-2 Па • с. Рекомендують і інші еталонні рідини: бензол С6Н6 (eta = 6,468 * 10-4 Па * с, 20 ° С), етанол С2Н5ОН eta = 1,09 10 3 Па с, 25 ° С).
Великий діапазон значень динамічної в'язкості і властивостей досліджуваних рідин зумовили різноманітність методів визначення в'язкості і конструкцій віскозиметрів: капілярні, кулькові, ротаційні, ультразвукові, вібраційні та ін., Що дозволяють вимірювати значення г) до 1012 Па з від декількох градусів Кельвіна до 1500 К при тисках до 1 ГПа.
Рис. 176. Віскозиметри Оствальда (а), Уббелоде, або ВПЖ-1 (б), Мартіна (в). Мікровіскозіметр (г) і насадка Еппельбея (д)
Метод вимірювання швидкості витікання досліджуваної рідини через капіляр при постійних тиску і температурі є простим і досить точним для рідин, в'язкість яких лежить в інтервалі від 10-3 до 103 Па * с.
Найбільш широко використовують в лабораторіях капілярний віскозиметр Оствальда (рис. 176, а). Щоб визначити в'язкість з його допомогою, точно виміряний об'єм еталонної рідини (2-5 мл) піпеткою вносять в коліно 4 приладу, який потім поміщають в термостат, який підтримує температуру 20 + 0,1 ° С. Ртутний резервуар контрольного термометра повинен. Перебувати при цьому на одному рівні з серединою капіляра 3, а рівень рідини в вискозиметре не повинен бути вище рівня рідини в термостаті.
Значення динамічної в'язкості рідини сильно залежить від температури. Наприклад, в'язкість води при 20 ° С змінюється на 2,5% при зміні температури на 1 ° С, а в'язкість касторової олії при тій же температурі змінюється на 8,5% зі зміною її на 1 ° С.
Після встановлення постійної температури еталонну рідину за допомогою груші, одягненою на ліве коліно 1, засмоктують через капіляр з коліна 4 так, щоб її меніск був дещо вищим мітки М1 і розширення 2 було повністю заповнене. Після цього грушу знімають і дають можливість рідини стікати. Час ТЕ, необхідне для переміщення меніска еталонної рідини від мітки М1 до мітки М2, вимірюю-секундоміром з точністю до 0,05 с. Коефіцієнт в'язкості еталонної рідини etaе дається виразом
де до - постійна віскозиметра, Пa • мл / г;
ре - щільність еталонної рідини (в г / мл) при температурі досвіду.
З цього виразу знаходять постійну до віскозиметра. Потім дослід повторюють з тим же точним об'ємом досліджуване рідини В:
(8.12;
Після поділу першого виразу на друге отримуємо рас парну формулу
(8.13;
Визначення постійної віскозиметра проводять періодично перед кожним вимірюванням коефіцієнта в'язкості. Перш ніж виконувати вимірювання вискозиметр послідовно промивають бензином або ацетоном, хромової сумішшю, чистою водою етанолом, діетиловим ефіром, після чого продувають обеспиленним сухим повітрям. Розміри приладу, довжин) і діаметр капіляра, еталонну рідину вибирають так, щоб значення τв і τе лежали в інтервалі 100 - 200 с.
В основі рівняння (8.13) лежить припущення про сталість середнього стовпа рідини між мітками М1 і М2, так як в прилад вводять точний і постійний обсяг рідини при одній і тій же температурі рідини в піпетці і термостатіруемого вискозиметре. Якщо ж температури рідини до і після її введення прилад різні, то середня висота стовпа рідини вже не буде постійною, що, природно, внесе деяку похибка в визначення в'язкості.
Помилку в вимірювання може внести і відмінність в поверхневому натягу еталонної і досліджуваної рідин. Поки рівень рідини знижується в розширенні 2 (рис. 176, а) має досить великий діаметр, щоб капілярним явищем можна було знехтувати, істотною похибки вимірювання не вноситься. Але коли рідина опуститься в нижню конусоподібну частину розширення 2, вплив поверхневе натягнення почне зростати і досягне максимального значення в капілярі до позначки М2.
Перед вимірами вискозиметр слід ретельно встановити у вертикальному положенні (по схилу), щоб гідростатичний тиск при виділенні рідини через капіляр було одним і тим же як при калібрування, так і при вимірюванні в'язкості досліджуваної рідини.
Коли капіляр має внутрішній діаметр близько 0,1 -О 2 мм, то при точності вимірювань близько 0,1% необхідно стежити, щоб в рідину і вискозиметр не потрапила пил, дрібні краплі іншої рідини, що не змішується з досліджуваної, або бульбашки газу. В іншому випадку ці сторонні включення фактично зменшать діаметр капіляра і визовуть великі похибки у визначенні в'язкості. Треба зауважити, що сторонні включення можуть мати розмір, неспостережний візуально.
Тому весь вискозиметр і особливо капіляр перед роботою піддають, як було сказано вище, ретельному очищенню від поверхневих забруднень. Також повинна бути очищена від зважених і колоїдних частинок еталонна і досліджувана рідини (перегонкою, фільтруванням через скляний пористий фільтр.
Найкращим способом виявити похибка, що з'явилася від забруднень капіляра, є повторення вимірювання в'язкості рідини за допомогою інших віскозиметрів того ж типу.
Для запобігання попаданню в вискозиметр сторонніх часток з повітря застосовують приставку Еппельбея (рис. 176, д), що надягають на трубки / і 4 віскозиметрів. У кульках приставки розташовують щільні тампони з полімерної вати.
При засмоктуванні рідини через капіляр гумовою грушею на гумову трубку приставки надягають затиск Гофмана, який відкривають під час вимірювання часу витікання рідини.
За допомогою віскозиметра марки ВПЖ-1 вітчизняного виробництва (рис. 176, б) визначають кінематичну в'язкість наступним чином. В коліно 4 вводять таку кількість рідини, щоб меніск її в коліні 1 трохи не доходив до нижнього отвору капіляра 3. Потім вискозиметр опускають в термостат витримують 10- 15 хв при 20 ± 0,1 ° С.
Після цього, не виймаючи його з термостата, закривши пальцем відросток 5 при піди груші, одягненою на коліно 7, засмоктують рідина вище мітки M1, стежачи за тим, щоб в резервуарі 6 не утворилося розриву рідини. Припинивши засмоктування і віднявши палець від трубки 5, дають рідини стікати в розширення 6 і спостерігають за зниженням її меніска. Як тільки він торкнеться мітки M1 включають секундомір, який зупиняють в момент дотику меніска до мітки М2.
Записавши час витікання рідини, повторюють експеримент не менше 4-5 разів. Потім вискозиметр миють, сушать і знову заповнюють, але вже еталонної рідиною і проводять не менше 4 -5 вимірювань.
Якщо результати двох останніх вимірювань збігаються в межах 0,3%, то знаходять середнє арифметичне час закінчення і обчислюють постійну віскозиметра (в сСт / с):
(8.14)
Параметри віскозиметрів марок ВПЖ-1 і ВПЖ-2 (ГОСТ 10028-67) наведені в табл. 30.
Значення кінематичної в'язкості (в сСт) обчислюють із співвідношення
(8.15)
де т - час закінчення, с; g - прискорення сили тяжіння в місці вимірювання в'язкості, см / с2.
Припускають, що g / 980,7 ж 1, якщо похибка ± 0,02% не має значення.
При використанні піпеточних віскозиметра Мартіна (1925 г.) надлишок досліджуваної або еталонної рідини вводять в трубку 4 (рис. 176, в), після чого приладу надають похиле положення і через капіляр 3 засмоктують в розширення 2 рідина до рівня трохи більше високого, ніж мітка М1. Коли відновлюють вертикальне положення віскозиметра, рідина в трубці 7 повинна закривати тільки нижній кінець капіляра. Ємність розширення 2 становить 3 - 6 мл, капіляр має довжину 100 - 200 мм, а внутрішній діаметр - 0,1 -0,3 мм. Перед вимірюванням вискозиметр із закритою трубкою 1 занурюють в термостат і після досягнення рівності температур термостатно і досліджуваної рідин (10-20 хв) відкривають трубку 1.
Вважають, що похибки, пов'язані з різними значеннями поверхневого натягу досліджуваної і калібрувальної рідин і неповним їх витіканням, є незначними. Припускають, що товщина рідкої плівки, що залишається на стінках віскозиметра, приблизно постійна для різних рідин.
Інші частини:
8.8. Капілярні віскозиметри. Частина 1
8.8. Капілярні віскозиметри. Частина 2
До змісту