Экспериментальные способы определения вязкости

Экспериментальное определение вязкости жидкости.

Вискозиметрия, раздел физики, посвященный изучению методов измерения вязкости. Существующее разнообразие методов и конструкций приборов для измерения вязкости — вискозиметров — обусловлено как широким диапазоном значений вязкости, так и необходимостью измерять вязкость в условиях низких или высоких температур и давлений (например, сжиженных газов, расплавленных металлов, водяного пара при высоких давлениях и т.д.).

Наиболее распространены три метода измерения вязкости газов и жидкостей: капиллярный, падающего шара и соосных цилиндров (ротационный). В основе их лежат соответственно: закон Пуазейля, закон Стокса и закон течения жидкости между соосными цилиндрами. Вязкость определяют также по затуханию периодических колебаний пластины, помещенной в исследуемую среду.

1. Капилярный метод опирается на закон Пуазейля о вязкой жидкости, описывающий закономерности движения жидкости в капилляре.

Рисунок 3. Схема капиллярного вискозиметра

В капиллярном вискозиметре (рис. 3) жидкость из одного сосуда под влиянием разности давлений р истекает через капилляр сечения 2R и длины L в другой сосуд. Из рисунка видно, что сосуды имеют во много раз большее поперечное сечение, чем капилляр вискозиметра, и соответственно этому скорость движения жидкости в обоих сосудах в N раз меньше, чем в капилляре вискозиметра. Таким образом не все давление пойдет на преодоление вязкого сопротивления жидкости. Капиллярные вискозиметры просты по конструкции, удобны в работе и надежны, так как не имеют вращающихся и трущихся частей.

Метод капиллярной вискозиметрии вполне можно отнести к высокоточному методу вискозиметрии в силу того, что относительная погрешность измерений составляет доли процента, в зависимости от подбора материалов вискозиметра и точности отсчёта времени, а также иных параметров, участвующих в методе капиллярного истечения.

2. Метод падающего шарика или метод Стокса (основан на законе Стокса) – этот метод определения вязкости основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы.

На шарик, падающий в жидкости вертикально вниз, действуют три силы: сила тяжести (F_т), сила Архимеда (F_А) и сила сопротивления (F).

(1)

Рисунок 4. . Схема метода Стокса

Мы знаем, что , , а – это эмпирически установлено Джоржем Стоксом. Где m – масса, – ускорение свободного падения, – плотность жидкости, V_т – объем тела (шарика).

Зная, что объем шарика можно расписать как , где r – радиус шарика. А массу шарика , где – плотность шарика, получим

(2)

Выразим из уравнения (2) коэффициент вязкости η:

(3)

Таким образом, измерив, скорость равномерного движения шарика, можно определить вязкость жид­кости.

На основе метода создано множество моделей высокотемпературных вискозиметров, в которых измеряется вязкость расплавленных стекол и солей. Определить же вязкость неньютоновских жидкостей, в частности вязкость крови, нельзя из-за зависимости от градиента скорости, однако с помощью данного метода нередко измеряют вязкость плазмы крови по скорости оседания в ней эритроцитов.

3. Ротационный метод вискозиметрии заключается в том, что исследуемая жидкость помещается в малый зазор между двумя телами, необходимый для сдвига исследуемой среды. Одно из тел на протяжении всего опыта остаётся неподвижным, другое, называемое ротором ротационного вискозиметра, совершает вращение с постоянной скоростью. Очевидно, что вращательное движение ротора вискозиметра передается к другой поверхности (посредством движения вязкой среды; отсутствие проскальзывания среды у поверхностей тела предполагается, таким образом, рассматриваются). Отсюда следует тезис: момент вращения ротора ротационного вискозиметра является мерой вязкости.

С помощью ротационных вискозиметров определяют вязкость смазочных масел, рас­плавленных силикатов и металлов, высоковязких лаков и клеев, глинистых растворов и т. п.

4. Клинический способ определения вязкости крови – метод капиллярных трубок применяется для определения η невязких жидкостей. Метод основан на формуле Пуазейля. Капиллярный вискозиметр состоит из градуированной бюретки и присоединенного к ней вертикально расположенного стеклянного капилляра. Бюретку наполняют исследуемой жидкостью, которая под действием силы тяжести медленно вытекает из нижнего конца капилляра. Однако, с понижением уровня жидкости в бюретке и, соответственно с уменьшением разности давлений на концах капилляра, скорость истечения жидкости постепенно уменьшается. Поэтому непосредственное использование формулы Пуазейля для определения вязкости жидкости не представляется возможным: необходим учет изменения разности давлений на концах капилляра в процессе понижения уровня жидкости в бюретке. Для того чтобы исключить градиент давления используют метод сравнения, то есть сравнивают коэффициент вязкости исследуемой жидкости с коэффициентом вязкости эталонной (например, дистиллированной воды). Для этого через капилляр пропускают одинаковые объемы исследуемой и эталонной жидкостей.

Источник

Экспериментальные методы определения вязкости различных нефтей и нефтепродуктов.

Для определения вязкости используют специальные, стандартные приборы — вискозиметры, различающиеся по принципу действия.

Кинематическая вязкость определяется для относительно маловязких, светлых нефтепродуктов и масел с помощью капиллярных вискозиметров, действие которых основано на текучести жидкости через капилляр по ГОСТ 33 — 2000 (вискозиметр типа ВПЖ, Пинкевича и др.). Для вязких нефтепродуктов измеряется условная вязкость в вискозиметрах типа ВУ, Энглера и др. Истечение жидкости в этих вискозиметрах происходит через калиброванное отверстие по ГОСТ 6258 — 85.

Вязкость определяют при строго постоянной температуре, поскольку с ее изменением вязкость существенно меняется.

Зависимость вязкости от температуры имеет важное значение особенно для смазочных масел с точки зрения обеспечения надежности смазки трущихся деталей в широком интервале температур эксплуатации машин и механизмов. Для оценки этой зависимости предложены различные показатели: индекс вязкости (ИВ) и отношение вязкостей масел (n₅₀/n₁₀₀). Чем меньше меняется вязкость масла с изменением температуры, тем выше его ИВ. ИВ зависит от химического состава масла и структуры углеводородов. Наибольшим значением ИВ обладают парафиновые углеводороды, наименьшим – полициклические ароматические с короткими боковыми цепями. ИВ определяют по номограммам или расчетным путем по ГОСТу.

При компаундировании масел часто приходится определять вязкость смесей. Приближенно ее можно рассчитать по формуле:

,

где n_см – вязкость смеси, мм 2 /с; n₁, n₂ – вязкости компонентов, мм 2 /с; m, n – количества взятых компонентов, кг.

Вязкость смесей можно определить и по номограммам.

Давление насыщенных паров (ДНП). Методы определения ДНП (расчетные, графические, экспериментальные).

ДНП-давление паровой фазы топлива, находящегося в динамическом равновесии с жидкой фазой топлива, измеренной в стандартных условиях.

P_нас-нормируемый показатель для авиационных и автомобильных бензинов, оно косвенно характеризует испаряемость топлива, его пусковые кач-ва и склонность к образованию паровых пробок в системе питания двигателя

Интенсивность испарения пускового качества топлива— склонность к образованию паровых пробок.

Чем выше t, тем выше Pнас от объема пар. части топлива.

Критическое давление— давление, при котором исчезает давление между паровой и жидкой фазами.

Критическая температура- t, при которой исчезает равновесие между паровой и жидкой фазами.

При t> крит. вещество не может быть конденсировано ни при каких давлениях.

Температура кипения-t при которой Pнас. пара=Pвнеш.

При одинаковой t большим Pнас характеризуются более легкие нефтепродукты.

Методы:

Расчетные

В технологических расчетах часто приходится производить пересчет температур с одного давления на другое или давления при изменении температуры. Для этого имеется множество формул. Наибольшее применение получила формула Ашворта:

Графические:

1) График Кокса (самый популярный),построенный для индивидуальных углеводородов (парафиновых). В то же время, он может с успехом применяться в технологических расчетах и для узких нефтяных фракций

2) График Максвелла -для пересчета давления насыщенных паров углеводородов и их смесей в зависимости от температуры.

3) Диаграмма UОР-используют в технологических расчетах для пересчета температур кипения нефтепродукта с глубокого вакуума на атмосферное давление. Соединив две известные величины на соответствующих шкалах графика прямой линией, получают на пересечении с третьей шкалой искомую величину Р или t. Номограммой UOP в основном пользуются в лабораторной практике.

4) Метод изучения изотерм:

Даёт наиболее точные, результаты, особенно при высоких t.

Суть— исследование зависимости между P и V насыщенного пара при постоянной температуре. В точке насыщения изотерма должна иметь излом, превращаясь в прямую.

Пригоден для измерения ДНП чистых веществ и непригоден для многокомпонентных, у которых температура кипения — величина неопределённая. Поэтому не получил большого распространения

Экспериментальные

1) Статический метод— основан на измерении Pнас жидкости при заданной температуре в условиях равновесия.

По данному методу работает стандартная бомба Рейда— сборная емкость, из двух камер: паровой и жидкостной (соотношение объемов камер 4 : 1). Нефтепродукт заливают в жидкостную камеру, к которой присоединяют паровую камеру с манометром. Всю емкость помещают в баню при 37,8 °С (100 °F) до установления постоянного равновесия паров и жидкости). Давление насыщенных паров определяют по формуле:

2) Динамический метод:

Динамический метод основан на измерении температуры кипения жидкости при определенном давлении.
Эбулиометры (принцип орошения термометра парожидкостной смесью)

3) Метод насыщения движущегося газа:

Через жидкость пропускается инертный газ и насыщается парами последней, после чего поступает в холодильник, где поглощенные пары конденсируются. Зная количество газа и поглощенной жидкости, а также их молекулярные веса, можно подсчитать упругость насыщенных паров жидкости.

Плюсы: метод дает наиболее точные результаты при высоких температурах

Минусы:я относительно большая погрешность экспериментальных данных и необходимость знания молекулярного веса исследуемого вещества.

Источник

Методы определения вязкости

1. Метод Стокса (Дж. Стокс (1819—1903) — английский физик и математик). Этот метод определения вязкости основан на измерении скорости медленно движущихся в жидкости небольших тел сферической формы.

На шарик, падающий в жидкости вертикально вниз, действуют три силы: сила тяжести ( — плотность шарика), сила Архимеда ( — плотность жидкости) и сила сопротивления, эмпирически установленная Дж. Стоксом: где — радиус шарика, v — его скорость. При равномерном движении шарика

Измерив скорость равномерного движения шарика, можно определить вязкость жидкости (газа).

2. Метод Пуазейля (Ж. Пуазейль (1799—1868) — французскии физиолог и физик). Этот метод основан на ламинарном течении жидкости в тонком капилляре. Рассмотрим капилляр радиусом R и длиной . В жидкости мысленно выделим цилиндрический слой радиусом и толщиной dr (рис. 54).

Сила внутреннего трения (см. (31.1)), действующая на боковую поверхность этого слоя,

где dS — боковая поверхность цилиндрического слоя; знак минус означает, что при возрастании радиуса скорость уменьшается.

Для установившегося течения жидкости сила внутреннего трения, действующая на боковую поверхность цилиндра, уравновешивается силой давления, действующей на его основание:

После интегрирования, полагая, что у стенок имеет место прилипание жидкости, т. е. скорость на расстоянии R от оси равна нулю, получим

Отсюда видно, что скорости частиц жидкости распределяются по параболическому закону, причем вершина параболы лежит на оси трубы (см. также рис.53).

За время t из трубы вытечет жидкость, объем которой

откуда вязкость

Источник