Wpływ stężenia i temperatury na lepkość roztworów.pdf
(
733 KB
)
Pobierz
Wpływ stężenia i temperatury na lepkość roztworów
Mianem lepkości w fizyce określa się opór, jaki stawia środowisko podczas ruchu jednych jego części
w stosunku do drugich. Inna nazwa tego zjawiska to tarcie
wewnętrzne co lepiej oddaje istotę tego zjawiska. Podczas
badania zjawiska lepkości mamy do czynienia z ruchem
laminarnym (uporządkowanym) cieczy w zbiorniku (a w
tym przypadku – w rurce), przy czym prędkości
poszczególnych warstw są różne a w miarę zbliżania się
do osi przepływu prędkość wzrasta.
v
1
>v
2
Zgodnie z prawami Newtona możemy wyznaczyć wzór na siłę styczną potrzebną do utrzymania stałej
różnicy prędkości dwóch poruszających się w tym samym kierunku warstw:
Gdzie,
η
– współczynnik lepkości dynamicznej, lepkość bezwzględna wyrażana w układzie SI w [Pas]
(N*s)/m
2
= kg/(m*s),
A
– powierzchnia warstwy cieczy,
dv
– różnica prędkości przepływu przy przejściu od jednej warstwy do drugiej,
dx
– różnica odległości między warstwami.
Od prawa Newtona są jednak odstępstwa, bowiem nie wszystkie ciecze wykazują się lepkością nie
zależną od gradientu prędkości. W odróżnieniu od cieczy newtonowskich, wiele układów
koloidalnych wykazuje odstępstwa od reguły polegające na zmniejszaniu ich lepkości wraz ze
wzrostem gradientu prędkości, dążąc do wartości zgodnej z prawem Newtona. Przyczyną tego
zjawiska jest tworzenie się wewnętrznych struktur powodujących powstanie dodatkowej lepkości
strukturowej. Nie jest to jednak trwały efekt ponieważ struktury te pod wpływem oddziaływań
mechanicznych zanikają, co wiąże się ze spadkiem lepkości cieczy nienewnotnowskich.
Z licznych metod pomiaru lepkości można wyróżnić dwa najczęściej stosowane rodzaje metod: opartą
na pomiarze prędkości przepływu cieczy przez kapilarę, oraz na pomiarze szybkości opadania kulki w
badanej cieczy. Przyrządy umożliwiające pomiar lepkości określamy mianem Wiskozymetrów, a ich
działanie (szczególnie wiskozymetrów kapilarnych) opiera się w znacznej mierze na prawie
Puiseuille’a, które określa się wzorem:
Gdzie,
V
– objętość cieczy przepływająca w czasie
t
przez
kapilarę o promieniu
r
i długości
l
pod wpływem
różnicy ciśnień
Δp
Przykładem może być Wiskozymetr Ostwalda, którego
kształt przywodzi na myśl literę U. Lepkościomierzem
tym dokonuje się pomiaru względnego, tj. lepkość badanej substancji wyznacza się względem
substancji wzorcowej o znanej lepkości, zwykle wody. Lepkość oblicza się na podstawie czasu
przepływu jednakowych objętości cieczy badanej i wzorcowej przez odpowiednio skalibrowane rurki
kapilarne pod działaniem znanej różnicy ciśnień.
(h
1
-h
2
)
– różnica poziomów cieczy w obu ramionach,
d
– gęstość cieczy,
g
– przyspieszenie ziemskie.
W drugim rodzaju pomiarów, opartym o szybkość opadania kulki
w cieczy używany jest wiskozymetr Hoepplera. Działanie tej
metody opracował teoretycznie Stokes formułując wzór na siłę z
jaką lepki ośrodek o gęstości
d
przeciwdziała opadaniu kulki o
promieniu
r
, gęstości
d
k
i prędkości
w
. Siłę tą (jest równa
6
rw
)
równoważy pozorny ciężar kulki (siła ciężkości pomniejszona o
siłę wyporu) powodując jej opadanie w ruchu jednostajnym ze
stałą prędkością
w.
Używając wiskozymetru Hoepplera porównujemy wartości dla
cieczy badanej z cieczą wzorcową (jaką najczęściej jest woda),
czyli mierzony jest czas
t
, w którym kulka przebywa drogę
s
,
a ponieważ
w=s/t
otrzymujemy ostatecznie:
Przygotowanie roztworów:
Część I
1. Przygotowano (dobrze wymieszany) roztwór o zawartości 50,00g sacharozy o obj V=100cm
3
i przy
pomocy wiskozymetru elektronicznego zmierzono lepkość 50% roztworu wyjściowego
2. Następnie z roztworu wyjściowego pobrano 10cm
3
i uzupełniono wodą destylowaną ponownie do
V=100cm
3
i zmierzono wartość lepkości dla sporządzonego rozcieńczenia.
3. Czynność z pkt 2. powtórzono jeszcze trzykrotnie; uzyskane wyniki odnotowano w tabeli oraz
wyliczono kolejne wartości stężeń sporządzanych roztworów.
Obliczenia:
Przy czym stężenie jest wyrażone w procentach wagowych stąd:
Temperatura 22°C
Lp
Stężenie r-r [%
wag/obj]
[mPas]
Wydajność
pomiaru [%]
[Pas]
1
50,00
14
47,6
0,014
2
45,00
11
38,6
0,011
3
40,50
9
32,0
0,009
4
36,45
8
29,0
0,008
5
32,805
7
25,6
0,007
Zależność lepkości od stężenia zaprezentowano na wykresie.
Wpływ tężenia na lepkoć r-r
15
zależno liniowa
14
13
Wpływ tężenia r-r na jego
lepko
Zgodno z prawem Einteina
y = 0,4005x - 6,6018
R² = 0,9641
12
11
10
regreja liniowa dla zależnoi
lepkoi od tężenia
y = 0,2597x - 1,5
R² = 0,9991
9
8
7
6
30
35
40
45
50
55
Cp [% wag/obj]
Zależność lepkości od stężenia roztworu zauważył wcześniej Albert Einstein i dokładnie sto lat temu
opublikował „Erratę”, poprawioną wersje wzoru eliminującą wcześniejsze błędy wyłapane przez
L. Hopfa w 1905 roku.
Gdzie,
– stężenie roztworu (wyrażone jako stosunek sumarycznej objętości cząsteczek substancji
rozpuszczonej do objętości roztworu)
Aby przebieg wartości stężeń spełniał równanie Einsteina musi być to zależność liniowa, zatem zakres
wartości stężeń zgodny z prawem Einsteina wynosi (w przypadku tego ćwiczenia) od 32,805% do
40,50%.
Część II
Następnie dokonano pomiaru lepkości przy pomocy wiskozymetru Hoeplera, wyliczono pożądane
wartości
dla sacharozy wg. wzoru:
a wyniki zamieszczono w tabeli poni
ż
ej.
H
2
0 - I
Temperatura 22°C
d [g/cm
3
]
Sacharoza - II
t [s]
t
sr
[cP]
I
12
12
12
0,99823
1,005
II
31
31
31
1,14319
2,291454
Temperatura 25°C
d [g/cm
3
]
t [s]
t
sr
[cP]
I
11
11
11
0,99707
0,8937
2,044234
II
28
29
28,5
1,14186
Temperatura 30°C
d [g/cm
3
]
t [s]
t
sr
[cP]
I
11
10
10,5
0,99567
0,8007
1,68365
II
25
25
25
1,14026
Wpływ temperatury na lepkoć r-r
2,5
y = -0,0756x + 3,9464
R² = 0,9987
2
sacharoza
woda
Liniowy (woda)
Liniowy (sacharoza)
1,5
y = -0,0248x + 1,5371
R² = 0,9624
1
0,5
20
22
24
26
28
30
32
T [°C]
Lepkość cieczy maleje ze wzrostem temperatury zgodnie z równaniem Arrheniusa-Guzmana
gdzie,
A, E – stałe charakterystyczne dla danej cieczy,
E – energia aktywacji lepkości
R – stała gazowa
8,314 [J/mol*K]
Przekształcając odpowiednio wzór uzyskujemy energie aktywacji:
gdzie,
y=ax+b → y = -0,0756x + 3,9464
b – lnA = 3,9464
a – E/R
y – lnη
x – 1/T
t [°C]
T [K]
η
lnη
E [kJ/mol]
E
średnie
2,291454
0,829187
-7,645371
22
295
2,044234
0,715023
-8,005,969
-8,0935
25
298
1,68365
0,520964
-8,62916
30
303
Plik z chomika:
alex111
Inne pliki z tego folderu:
Prezentacja - Układy jednoskladnikowe wielofazowe.ppt
(472 KB)
Wpływ stężenia i temperatury na lepkość roztworów.pdf
(733 KB)
Termodynamika.pdf
(4682 KB)
A. Poniewierski, A. Ciach, Chemia fizyczna dla chemików, fizyków i inżynierów.pdf
(1987 KB)
Inne foldery tego chomika:
Biogeochemia
Biologia
Chemia Organiczna
Chromatografia cieczowa
Chromatografia fluidalna
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin