Лабораторна робота 21 Досліджування в’язкості структурованих розчинів

Мета роботи – побудова залежності в’язкості і відносної в’язкості від концентрації розчинів желатини та визначення коефі­цієнту α у рівнянні Ейнштейна.

Основні теоретичні відомості

Між шарами рідини, які рухаються з різними швидкостями, виникає сила тертя F. Згідно Ньютону, вона пропорційна дотичній поверхні S та градієнту швидкості dV/dx; dV – зміна швидкості при переході від одного елементарного шару до другого, dx – відстань між шарами;

(21.1)

Коефіцієнт пропорційності η носить назву внутрішнього тертя, або коефіцієнта в’язкості (скорочено – в’язкість). У відповідності з (21.1) в’язкість має розмірність Па·с (паскаль–секунда). Зі збільшенням температури в’язкість рідини падає, і щоб забезпечити її сталість, експерименти необхідно проводити в термостаті.

В’язкість можна визначити, вимірюючи час, необхідний для витікання певного об’єму через капілярну трубку. Пуазейль дослідним шляхом встановив закон, який зв’язує об’єм рідини V, що витікає з капіляру, з часом його витікання , тиском P, що діє на рідину в капілярі, радіусом капіляра r та його довжиною l:

(21.2)

Закон справедливий для ламінарної течії.

При визначенні в’язкості частіше за все користуються порівняльним методом. Якщо час витікання однакових об’ємів двох різних рідин через один і той самий капіляр, виміряний при такій же висоті рідини в посудині, дорівнює ₀ (для стандартної рідини) та  (для досліджуваної рідини), то можна записати:

та (21.3)

Відношення цих двох рівнянь дає:

(21.4)

Оскільки висоту рівня обох рідин беруть однаковою, то відношення гідродинамічних тисків на кінці капілярної трубки дорівнює відношенню густин, тобто P/P₀ = ρ/ρ₀. Звідси, формула для визначення в’язкості

(21.5)

Обладнання та реактиви

Капілярний віскозиметр, водні розчини желатини, дистильована вода.

Порядок виконання роботи

Прилад для вимірювання в’язкості (рис.21.1) має вигляд U–подібної трубки з капіляром в одному з колін. Капіляр у верхній частині розширюється до певної ємності, обмеженої з обох сторін мітками “а” та “б”. В широке коліно віскозиметра піпеткою заливають певний об’єм стандартної рідини (води) та затягують її гумовою грушею через капіляр вище мітки “а” і дають можливість вільно витікати. Час витікання об’єму рідини, що знаходиться між м ітками “а” та “б”, вимірюють точно за допомогою секундоміра.

Дослід повторюють три рази (точність визначення часу витікання рідини — до трьох десятих долей секунди). Потім проводять аналогічні вимірювання з таким же об’ємом досліджуваної рідини. Густини рідин знаходять за довідником або визначають за допомогою пікнометра. При визначенні в’язкості водних розчинів стандартною рідиною є дистильована вода, значення в’язкості якої в залежності від температури наведено в табл.21.1.

Таблиця 21.1

В’язкість води η₀ (Па·с).

Т, 0С	18	20	22	24	26	28	30
η0, 103	1.053	1.002	0.955	0.911	0.870	0.832	0.797
Т, 0С	32	34	36	38	40	45	50
η0, 103	0.764	0.734	0.705	0.678	0.653	0.596	0.547

Досліджують в’язкість водних розчинів желатини. Для цього в шести пронумерованих пробірках шляхом послідовного розведення 1% розчину желатини готують розчини згідно табл. 21.2.

Таблиця 21.2

Експериментальні та розрахункові величини

№ про-бір­ки	Об’єм вихідних розчинів, мл		Час витікання, , с				η·103, Па·с	φ·103
	1% роз­чин же­латини	Вода	1	2	3	се­ред­нє
1	2	8
2	4	6
3	6	4
4	8	2
5	9	1
6	10	0

Спочатку вимірюють час витікання дистильованої води через капіляр віскозиметра, для чого піпеткою наливають 10 мл дистильованої води у віскозиметр. Отримавши співпадаючі результати часу витікання води переходять до вимірювання часу витікання розчинів желатини в порядку зростання їх концентрації. Результати вимірювань заносять в табл. 21.2

Оскільки розчини желатини мають малу концентрацію, то можна вважати, що їх густина дорівнює густині води, що спрощує розрахункову формулу (21.5) до виду:

(21.7)