CC BY
41
Юрченко Светлана Анатольевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г. Кызыл
Khvorov Yu.A - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan StateUniversity, Kyzyl, E-mail: khvorov [email protected].
Astafyeva T.N - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan StateUniversity, Kyzyl, E-mail: [email protected].
Yurchenco C.A. - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan StateUniversity, Kyzyl.
УДК 531
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ
ЖИДКОСТЕЙ И РАСТВОРОВ
Хворов Ю.А., Юрченко С.А., Астафьева Т.Н.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
APPARATUS AND METHOD FOR DETERMINING INDIVIDUAL
VISCOSITY LIQUIDS AND SOLUTIONS
Khvorov Yu.A, Yurchenco C.A., Astafyeva T.N.
Tuvan State University, Kyzyl
В статье рассматриваются вопросы экспериментального определения вязкости спиртов. Рассмотрена методика определения вязкости, обработка экспериментальных данных. Приведена погрешность расчетов на примере спиртов и их смесей.
Ключевые слова: аппаратура, физика, теория, вязкость, жидкость.
The questions of experimental determination of viscidity ofalcohols are examined In the article. Methodology ofdetermination of viscidity, processing of experimental data, isconsidered. An error over of calculations is brought on theexample of alco ols and their mixtures.
Key words: apparatus, physics, theory, the viscidity of the liquid.
Методы определения вязкости жидкостей можно разбить на две группы. Первая группа включает в себя метод истечения, метод падающего шарика, метод вращающихся коаксиальных цилиндров. Вторая группа подразделяется на метод затухающих крутильных колебаний диска, цилиндра или пластины и ультразвуковой метод.
Наиболее широкое применение нашёл капиллярный метод, основанный на законе Пуазейля. При абсолютных измерениях вязкости капиллярным вискозиметром необходимо вносить поправки на кинетическую энергию и опорожнение рабочего резервуара, на дополнительное сопротивление, происходящее от присутствия плоских концов толстостенного капилляра, обрезанного под прямым углом к оси и прочее. Относительный же метод измерения вязкости выгодно отличается от
абсолютного метода более высокой точностью, которая достигается частью из-за упрощения прибора, частью за счёт того, что в этом случае исключаются ошибки, связанные с измерением размеров капилляров. Среди многочисленных относительных вискозиметров наибольшее применение получили вискозиметры типа Оствальда-Мартина, для которых высота рабочего столба жидкости практически не зависит от температурных изменений его объёма.
Для расчёта вязкости Оствальд предложил формулу
П= (По / Ро То ) р т = К р т, (1)
где По, Ро, То - вязкость, плотность и время истечения градуировочной жидкости, К = г|о / (Ро То) - постоянная прибора, р и т - плотность и время истечения исследуемой жидкости.
Предназначенные для изучения и приготовления растворов вещества предварительно осушали и очищали, жидкие вещества подвергали двух-трёхкратной перегонке [1-2]. Используемая методика и техника проведения экспериментальных исследований по определению вязкости исследуемых жидкостей предусматривала сведение к возможному минимуму внешних воздействий при определении вязкости, стабилизацию температурных условий, прецизионность осуществляемых измерений.
Нами сконструирована под руководством профессора Пугачевича П.П. установка (УИФХХ-2) [3], конструкция которой позволяет с помощью специального амортизатора и приборной рамки изолировать от внешнего влияния вибраций помещённые в термостат со смотровыми окнами приборы. Нагревательные элементы воздушного термостата, система принудительного перемешивания воздуха и возможность плавной автоматической регулировки температуры в термостате позволяет поддерживать температурный режим по всему объёму термостата не хуже, чем 0,1К в широком интервале температур.
Для измерения вязкости исследуемой жидкости вискозиметр (рис.1) сначала градуируют по стандартной жидкости. В тщательно вымытый и высушенный под вакуумом прибор через трубку 8 заливали необходимое количество градуировочной жидкости и затем трубку 8 запаивали. После этого вискозиметр закрепляли на специальной рамке, имеющей горизонтальную ось вращения, и помещали в воздушный термостат. После 2,5-3 часов термостатирования производили измерения времени истечения жидкости по капилляру 4 из рабочего резервуара 2. Для этого вискозиметр поворачивали вокруг оси ХХ1 на угол, превышающий 90о, в результате чего жидкость по трубке 1 перетекала в резервуар 11. После этого прибор возвращали в исходное положение. Жидкость из резервуара 11 перетекала в резервуар 2, заполняя нижнюю часть резервуара 3 до уровня трубки 5, и начинала перетекать в резервуар 6.
4 &
кУ
Рис. 1. Цельнопаянный капиллярный вискозиметр Оствальда - Мартина.
1, 5, 7 - соединительные трубки; 2 - рабочий резервуар; 3 - резервуар для капилляра; 4 - капилляр; 6 - резервуар для сбора жидкости; 8 - трубка для заливки жидкости; 9, 10 - метки; 11 - верхний резервуар.
Как только уровень жидкости достигал метки 10, включали секундомер и измеряли время истечения жидкости до момента, когда жидкость достигала метки 9. Проделав несколько таких измерений, находили среднее значение времени истечения градуировочной жидкости из рабочего резервуара 2 при данной температуре. После этого жидкость термостатировали при другой температуре исследования и вновь измеряли среднее время истечения жидкости.
После окончания градуировочных измерений, используя справочные данные о значениях плотности и вязкости градуировочной жидкости при температурах исследования, рассчитывали значения постоянной К данного вискозиметра для всех исследованных температур.
Уравнение вискозиметра в конечном итоге записывается в виде К = а + Ь t + с Р + d Р , (2)
где а, Ь, ^ d - коэффициенты, t - температура.
Уравнение (1.2) вискозиметра позволяет легко находить постоянную К при различных температурах.
После окончания градуировочных измерений вискозиметр готовят к измерениям исследуемой жидкости. Термостатирование и измерение времени истечения жидкости производится также, как и при градуировке. Найденные при
необходимых температурах средние значения времени истечения исследуемой жидкости используют для расчёта вязкости по уравнению (1), а величину постоянной К прибора определяют по уравнению (2), значения плотности р исследуемой жидкости при данной температуре 1 находят из пикнометрических измерений.
Весьма важным обстоятельством, способствующим проведению прецизионных измерений вязкости в описанном приборе, является отсутствие шлифов, кранов и других конструктивных особенностей, которые могут вызвать загрязнения исследуемых объектов. Цельнопаянные замкнутые стеклянные приборы не только защищают от внешней среды изучаемые жидкости, но и позволяют работать с ядовитыми, пахучими и летучими жидкостями.
Из уравнения (1.1) для относительной погрешности измерения вязкости с помощью вискозиметра Оствальда-Мартина имеем Дг|/г| = АПо/П
о + Дро/ро + Дто/то + Др/р + Дт/т , (3)
где Дг|о, Дро, Дто и Дг|, Др, Дт - абсолютные ошибки определения вязкости, плотности, времени истечения градуировочной жидкости и исследуемой жидкости соответственно.
Значения величин плотности и вязкости градуировочной жидкости были взяты из табличных данных, следовательно, в условиях наших измерений они являются постоянными величинами и их относительными ошибками можно пренебречь. В результате получаем
Дп/п = Дто/то + Др/р + Дт/т. (4)
Уравнение вискозиметра (1.2) получено градуировкой с помощью толуола, в котором коэффициенты рассчитывали методом наименьших квадратов в системе СГС, используя литературные данные о величине плотности ро и вязкости По градуировочной жидкости, а также полученного экспериментально времени её истечения то при данной температуре 1,
К = (1,69303 - 0, 872422 '1 + 0,147365 '10-4 ^ + + 0, 066149 '10-6 'Р) '10-4. (5)
Проведено экспериментальное определение вязкости растворов полиэтиленгликоля со средней молекулярной массой 4000 в толуоле, одноатомных спиртов и их двойных смесей в широких температурных интервалах. Результаты представлены в виде таблиц 1 - 4.
Средняя относительная погрешность в определении вязкости составляет
0,8%.
Таблица 1.
Экспериментальные значения вязкости (
77 х 10 , Па х с
растворов ПЭГ- 4000 в толуоле
7 х 103 7 х 103
1°, с х. = 0,43 % 1 ' х = 0,86 % 1 ' 1°, с х. = 0,43 % 1 ' х = 0,86 % 1 '
30 0,531 - 70 0,350 0,374
)
40 0,475 0,513 80 0,323 0,346
50 0,424 0,458 90 0,298 0,319
60 0,385 0,412 100 0,276 0,295
X - массовая доля ПЭГ-4000 в растворе.
Экспериментальные значения вязкости (р
х 10 , Па х с
Таблица 2. ) одноатомных спиртов
1", С р х 103
изоамиловый изобутиловый н-бутиловый Изопропиловый
30 2,508 2,193 1,702 1,340
40 1,775 1,550 1,271 0,979
50 1,285 1,114 0,970 0,739
60 0,966 0,827 0,763 0,572
70 0,737 0,641 0,604 0,459
80 0,583 0,506 0,493
90 0,474 0,416 0,418
100 0,398 0,353 0,357
110 0,341 0,314
120 0,302
Экспериментальные значения вязкости (рх 10 ' Па х с \ смесей изопропилового и н-бутилового спиртов ( с - мольная доля изопропилового спирта в растворе)
Таблица 3.
1", С р х 103
с = 0,808 с = 0,606 с = 0,269
30 1,392 1,475 1,630
40 1,033 1,097 1,213
50 0,775 0,825 0,924
60 0,599 0,645 0,721
70 0,481 0,518 0,609
Анализ полученных экспериментальных данных (см. табл. 1) позволяет сделать следующие выводы: вязкость растворов ПЭГ-4000 с повышением температуры уменьшается, а с увеличением массовой доли ПЭГ-4000 в растворе увеличивается; в смесях отсутствуют химические реакции.
Таблица 4.
Экспериментальные значения вязкости (
р х 10 , Па х с
) смесей изопропилового и
н-бутилового спиртов ( с - мольная доля изопропилового спирта в растворе)
1", С р х 103
р = 0,685 р = 0,500 с = 0,456
30 1,640 1,850 2,172
40 1,187 1,337 1,555
50 0,889 0,987 1,143
60 0,684 0,756 0,860
70 0,538 0,590 0,665
В таблице 2 показаны результаты экспериментального определения вязкости чистых спиртов: изоамилового, изобутилового, н-бутилового, изопропилового. На основании анализа полученных результатов (см. табл. 2-4) можно сделать следующие выводы: вязкость чистых спиртов и их смесей с повышением температуры уменьшается; вязкость чистых спиртов возрастает с увеличением молекулярной массы и зависит от химической структуры молекул; в смесях изопропилового спирта с н-бутиловым и изоамиловым отсутствуют химические реакции.
Библиографический список
1. Воскресенский И.И. Техника лабораторных работ.- М.: Химия, 1973.- 717 с.
2. Багатуров С.А. Курс теории перегонки и ректификации.- М.: Госоптехиздат, 1954.478 с.
3.Установка для измерения физико-химических характеристик жидкостей (УИФХХ-2) / П.П. Пугачевич, Ю.А. Хворов, В.И. Данилейко и др.- Кызыл: КГПИ, 1983.- Деп. в ВИНИТИ, № 6311-Деп.
Bibliograficheskij spisok
1. Voskresenskij I.I. Tekhnika laboratornykh rabot.- M.: Khimiya, 1973. - 717 s.
2. Bagaturov S.A. Kurs teorii peregonki i rektifikatsii. - M.: Gosopttekhizdat, 1954. - 473 s.
3. Ustanovka dlya izmereniya fiziko-khimicheskikh kharakteristik zhidkostej (UIFKHKH-2) / Pugachevich P.P., Khvorov Yu.A., Danilejko V.I. i dr. - Kyzyl: KGPI, 1988. - Dep. V VINITI, 6311 -Dep.
Хворов Юрий Алексеевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г.Кызыл, E-mail: khvorov [email protected]
Астафьева Татьяна Николаевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г.Кызыл, E-mail: [email protected]
Юрченко Светлана Анатольевна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Тувинского государственного университета, г. Кызыл
Khvorov Yu.A. - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: khvorov [email protected]
Astafyeva T.N. - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan State University, Kyzyl, E-mail: [email protected]
Yurchenco C.A. - candidate of Physical and Mathematical sciences, Tuvan State University, Kyzyl
