液体 黏 度 的 测 定

液体 黏 度 的 测 定 一, 实验目的 1 ) 掌握使用水浴恒温槽的操作, 了解其控温原理. 2 ) 掌握用黏度计测定乙醇水溶液黏度的方法. 3 ) 通过测定回收乙醇水溶液的黏度, 计算出未知乙醇水溶液的浓度值( 百分含量) . 二, 实验原理 当液体以层流形式在管道中流动时, 可以看作 是一系 列不 同半 径的同 心圆 筒以不 同速 度向前移动.愈靠中心的流层速度愈快, 愈靠管壁 的流 层速度 愈慢, 如 图 9 - 1 所 示.取面 积为 A, 相距为 dr, 相对速度为 dv 的相邻液层进行分析, 见图 9 - 2 . 图9 - 1 液体的层流 图9 - 2 两液层相对速度差 由于两液层速度不同, 液层之间现出内摩擦现象, 慢层以一定的阻力拖着快层.显然 内摩擦力与两液层间接触面积 A 成正比, 也与两液层间的速度梯度成正比, 即 f=η A dv dr ( 9 - 1) 式中比例系数 η称为黏度系数( 或黏度) .可见, 液体的黏度是 液体内摩 擦力的量 度.在国 际单位制中, 黏度的单位为 N? m - 2 ? s, 即 Pa? s( 帕 ?秒) , 但习 惯 上常 用 P( 泊 ) 或 cP( 厘 泊) 来表示, 两者的关系: 1 cP = 0. 1 Pa?s. 黏度的测定可在毛细管黏度计中进 行.设有液体在一定的压力差 p 推动下以层流的形 式流过半径 R, 长度为 L 的毛细管( 见图 9 - 1) .对于其中半径为 r 的圆柱形液体, 促使流动的 推动力 F = πr p, 它与相邻的外层液体之间的内摩擦力 f = η A?dv/ dr = 2π dv/ dr, 所以当液 rLη 体稳定流动时, 即 44 2 F + f =0 2 dv π p + 2π r rLη = 0 dr ( 9 - 2) 在管壁处即 r = R 时, v = 0, 对上式积分 p( R - r ) v= 4η L 一段毛细管的液体总体积为 V = 由此可得 π pt R η= 8VL 法求得, 其方法如下: 取相同体积的两种液体( 被测液体 i" 参 考液 体 0" 如 水, " , " , 甘油等 ) , 在本 身重力 作用 下, 分别流过同一支毛 细管 黏 度 计, 如 图 9 - 3 所 示 的 奥 氏黏 度 计. 若测 得 流 过 相 同体 积 Va - b 所需的时间为 t i 与 t0 , 则 π pi ti R η= i 8Va - b L π p0 t 0 R η= 0 8Va - b L 式 9 - 5 可得: η pi t i i = η p0 t0 0 ( 9 - 6) 4 4 4 2 2 ( 9 - 3) 对于厚度为 dr 的圆筒形流层, t 时间内流过液体的体积为 2π rvdr, 所以 t 时间内 流过这 ? 0 R π pt R 2π rvtdr = 8η L 4 ( 9 - 4) 上式称为波华须尔( Poiseuille) , 由于 式中 R, 等数 值不 易测 准, 所 以 η值 一 般用 相对 p ( 9 - 5) 由于 p = hρ h 为液柱高度, ρ g( 为液体密度, g 为重力 加速度) , 若用 同一 支黏 度计, 根据 若已知某温度下参比液体的黏度为 η , 并测得 t i , t0 , ρ ρ 即可求得该温度下的 η. 0 i, 0 i 图9 - 3 奥氏黏度计 图9 - 4 乌氏黏度计 实验室中常用另一种毛细管黏度计乌氏( Ubbelode) 黏度计, 其结构如图 9 - 4 所示.有 45 以下特点: ?由于第三支管( C 管) 的作 用, 使 毛细 管出 口通 大气, 这样, 毛 细 管内 的液 体形 成一个悬空液柱, 液体流出毛细管下端时即沿着 管壁流 下, 避免 出口处 产生 涡流; ?液 体高 h 与 A 管内液面高度无关, 因此每次 加 入试 样的 体积 不必 恒 定; ?对 于 A 管 体积 较大 的稀 释型乌氏黏度计, 可在实验过程中直接加入一定量的溶剂配制成不同的溶液, 故乌氏黏度计 较多用于高分子溶液性质方面的研究. 温度对液体黏度的影响十分敏感.因为温度升高, 使分子间距逐渐增大, 相互作用力相 应减小, 黏度下降.这种变化的定量关系可用下列方程描述: η= A?exp 或 lnη= lnA + E vis RT E vis RT ( 9 - 7) 式中, E vi s — —流体流动的表观活化能, 可 从 lnη- 1 / T 的直 线斜 率 求得; A— —经验 常数, 可 — — 由直线的截距求得. 三, 仪器和试剂 ( 1 ) 仪器 水浴恒温槽, 乌氏黏度计, 秒表, 移液管( 10mL 1 支) , 量 筒( 200 mL 1 个) , 比重 计, 吸耳 球, 容量瓶( 50mL 5 个) , 酸式滴定管( 25 mL 1 支) , 洗瓶. ( 2 ) 试剂 乙醇溶液, 蒸馏水. 四, 实验内容 1 ) 调节恒温槽温度至( 30. 0 ? 2) ?. 0. 2 ) 按体积百分含量配制 10% , 30% , 50% 乙醇溶液. 3 ) 在洗净的乌式黏度计中, 加入一定量蒸馏 水, 使 其液面 介于 c - d 之间. 在毛细 管端 装上橡皮管, 然后垂直浸入恒温槽中( 黏度计上两刻度线应浸没在水浴中) . 4 ) 恒温后, 用吸耳球通过 橡 皮 管将 液 体吸 到 高于 刻 度 线 a, 再 让 液体 由 于 自身 重 力下 降, 用秒表记下液面从 a 流到 b 的时间 t 0 , 重复 3 次, 偏差应小于 1. 0s, 取其平均值.所测数 据记录于数据表 9 - 3. 5 ) 洗净此黏度计, 用待测液润洗, 加入一定量不同 浓度的乙 醇溶液, 同 样使 其液面 介于 c - d 之间, 用同步骤 4 的方法测得从 a 流到 b 的时间 t i , 重复 3 次, 偏差应小 于 1. 0s 取其平 均值.所测数据记录于数据表 9 - 4. 6 ) 测量未知液黏度, 用内差法计算其含量.所测数据记录于数据表 9 - 5 . 7 ) 在 200mL 量筒中, 注入适量的至 少稀释 二倍 的回收 乙醇 溶液, 用比 重 计测 定该 实验 温度下的乙醇溶液的密度 ( 事 先已 将量 筒放 在恒 温 水槽 中恒 温 20min 后进 行密 度 测定, 此 步实验由实验室统一进行. ) 46 表9 - 1 温度/? 20 25 30 35 40 蒸馏水在不同温度下的黏度, 运动黏度和密度 黏度 / cP 1. 002 0. 890 0. 797 0. 719 0. 653 运动黏 度 / 厘斯 1. 0038 0. 893 0. 801 0. 724 0. 658 密度 / g?cm 0. 99820 0. 99705 0. 99565 0. 99406 0. 99221 3 表9- 2 含量 / 20? 25? 30? 35? 10 1. 538 1. 323 1. 160 1. 006 20 2. 183 1. 815 1. 332 1. 332 30 2. 71 2. 18 1. 87 1. 58 40 2. 91 2. 35 2. 02 1. 72 乙醇水溶液黏度 / cP 50 2. 87 2. 40 2. 02 1. 72 60 2. 67 2. 24 1. 93 1. 66 70 2. 370 2. 037 1. 767 1. 529 80 2. 008 1. 748 1. 531 1. 355 90 1. 610 1. 424 1. 279 1. 147 100 1. 200 1. 096 1. 003 0. 914 五, 数据记录及数据处理 1 ) 将所测数据分别记录于表 9 - 3, - 4, - 5. 9 9 2 ) 由式 9 - 6 计算不同浓度乙醇溶液的黏度( ρ 水 , 0 , 水 值见表 9 - 1) . η 0, 3 ) 用内差法计算出未知液的乙醇体积百分含量. 水溶液的黏度 = 未知乙醇溶液的密度 = η pi t i i = η p0 t0 0 η=η i 0 piti = p0 t 0 cP 水溶液的密度 = g?cm - 3 g?cm - 3 内差法: c上 - c下 c水 - c下 = η - η η - η 上 下 水 ?c 未 = 表9 - 3 实 验次数 t0 / s 平均 值 / s 绝 对偏差 / s 1 t 0 数据表 2 3 47 表9- 4 含 量 ci / 密度 ρ/ g?cm i ti / s 平均值 / s 绝对 偏差 / s η / cP i - 3 乙醇水溶液黏度系列数据表 10 30 50 表9 - 5 实 验次数 ti /s 平均 值 / s 绝 对偏差 / s 1 未知液 t i 数据表 2 3 六, 思考题 1 ) 恒温槽由哪些部件组成 它们各起什么作用 如何调节恒温槽到指定温度 2 ) 是否可用两只黏度计分别测得待测液体和参比液体的流经时间 3 ) 为什么不直接用乙醇溶液来测黏度, 而用稀释后的回收乙醇溶液 48