Studiul viscozitatii

STUDIUL VISCOZITATII

1. Scopul lucrarii

Scopul lucrarii este acela de a determina viscozitatea unor solutii utilizand viscozimetrul Ostwald.

2. Consideratii teoretice

Curgerea lichidelor reale (putin compresibile si lipsite de viscozitate), intre moleculele carora se exercita forte de atractie van der Waals, se face in straturi subtiri. Aceste forte se opun deplasarii relative a acestor straturi vecine, determinand aparitia unor forte de frecare interne (numite forte de viscozitate), orientate in sens opus vitezei relative a straturilor respective.

La viteze nu prea mari, straturile de lichid raman paralele, curgerea numindu-se laminara. Pentru acest tip de curgere, forta de viscozitate (F) este direct proportionala cu aria suprafetei de contact dintre straturile vecine (S) si cu componenta gradientului de viteza pe directia perpendiculara pe directia de deplasare a straturilor (dv/dx).

Factorul de proportionalitate, h, se numeste coeficient de viscozitate dinamica a lichidului; experienta arata ca acesta depinde de temperatura si de natura lichidului.

Unitatea de masura pentru coeficientul de viscozitate dinamica este Poise (1P = 1 N s m ); in practica se utilizeaza 1daP = 10 Poise.

Pentru caracterizarea viscozitatii unor solutii se definesc urmatoarele marimi fizice:

viscozitatea relativa, h_rel , egala cu raportul dintre viscozitatea solutiei (h) si cea a solventului, (h

fluiditatea dinamica (f) egala cu inversul coeficientului de viscozitate dinamica

viscozitatea cinematica (n) egala cu raportul dintre viscozitatea dinamica si densitatea lichidului (r

Majoritatea lichidelor respecta legea lui Newton, deci sunt lichide newtoniene.

Curgerea fluidelor prin conducte

Sa consideram curgerea stationara si laminara a unui fluid printr-o conducta; datorita frecarii cu peretele conductei si intre straturi viteza de curgere scade de la axa conductei spre exterior. Consideram un strat de fluid cuprins intre doi cilindri coaxiali din conducta, de raza r si r+dr si de lungime l. Forta de frecare pe suprafata interioara este conform relatiei (1):

iar pe suprafata exterioara,

F₁ actioneaza asupra stratului in sensul de curgere si F₂ in sens invers. Curgerea fiind realizata ca urmare a unei diferente de presiune p₁-p₂ intre cele doua sectiuni extreme ale conductei (p₁ in sensul curgerii, p₂ in sens opus), din conditia de echilibru pentru curgerea stationara, se obtine:

de unde, prin integrare:

unde R este raza conductei.

Cu aceasta relatie se poate calcula debitul volumic al lichidului, Q_v = vdA rezultand:

Relatia (9) poarta denumirea de ecuatia Hagen-Poiseuille.

Miscarea unui corp intr-un fluid cu viteze mici

Consideram in continuare un corp sferic de raza r, ce se misca cu viteza v intr-un fluid. In acest caz asupra corpului actioneaza o forta de rezistenta la inaintarea prin fluid data de legea lui Stokes:

unde r este raza corpului, v viteza acestuia.

Sa consideram un corp sferic, de dimensiuni mici, care cade liber sub actiunea propriei greutati intr-un fluid. Asupra lui mai actioneaza doua forte: forta arhimedica si rezistenta la inaintare, amandoua in sens invers miscarii. Dupa un timp se ajunge la o stare de echilibru dinamic, viteza ramanand constanta. Aceasta viteza se obtine scriind conditia de echilibru al fortelor:

de unde:

unde este densitatea corpului si densitatea fluidului.

3. Prezentarea dispozitivului experimental

Se foloseste viscozimetrul Ostwald prezentat in figura. Un lichid se va scurge din rezervor prin capilar intr-un anumit timp, in functie de debitul de curgere, dat de legea Hagen-Poiseuille. Aplicand aceasta lege pentru doua lichide diferite, obtinem :

deci

Cum , rezulta:

(13)

Marimile fara indicatie se refera la lichidul de studiat iar cele cu indicele zero la lichidul de comparatie (apa).

4. Mod de lucru

Se va lua drept lichid de referinta apa distilata.

Desfasurarea experimentului cuprinde urmatoarele etape:

se toarna lichidul de referinta in viscozimetru si se suge in ramura cu tubul capilar - cu o para de cauciuc - pana deasupra reperului A;

se lasa lichidul sa se scurga si se masoara timpul t₀ necesar scurgerii intre cele doua repere (A respectiv B);

se repeta aceste operatii pentru lichidul de referinta si se determina timpul t₀;

se fac 10 determinari, se calculeaza valoarea medie si eroarea;

se refac toate etapele anterioare pentru lichidul studiat si se determina timpul t (valoarea medie si eroarea acestuia).

5. Prelucrarea datelor experimentale. Concluzii

Rezultatele se trec in tabelul urmator:

Tabelul 1. Rezultate experimentale

Coeficientul de viscozitate se determina cu relatia (6).

Valorile constantelor se iau dn tabelele urmatoare:

Tabelul 2. Variatia viscozitatii apei cu temperatura

Tabelul 3. Densitatea apei la variatia temperaturii

Se va calcula abaterea patratica medie σ si rezultatul se va scrie sub forma stiintifica:

_h) Poise