Własności fizykochemiczne olejów i smarów

Data Ćwiczenia:	30.11.2012 Piątek TP
Wykonawcy:	Wojciech Lipiński Adrian Malik Radosław Andrulewicz
Ocena:

Cel ćwiczenia

Celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie temperatury kroplenia wazeliny kosmetycznej, gęstości pozornej przy pomocy wagi hydrostatycznej oraz lepkości kinematycznej dwóch olejów (jasnego i ciemnego) oraz wpływu temperatury na tę wielkość.

Opis metody pomiarowej

1. Pomiary lepkości kinematycznej

Aby wyznaczyć kinematyczny współczynnik lepkości dla dwóch typów olejów potrzebne było oznaczenie dla nich charakterystyk wypływowych.

Podczas wykonywania pomiarów, mierzyliśmy czas opróżnienia poszczególnych kubków. Dysponowaliśmy kubkami o trzech średnicach: 3, 4 oraz 5 mm. Aby ćwiczenie zostało poprawnie wykonane należało dobrać taki kubek, aby czas wypływu oleju mieścił się w przedziale τ = 30 − 100,  s. W zależności od średnicy kubka, charakterystyki wypływowe należało obliczyć z następujących wzorów:

$$d_{1} = 3mm;\ v = 0,443t - \frac{200}{t};$$

$$d_{2} = 4mm;v = 1,37t - \frac{200}{t};$$

$$d_{3} = 5mm;v = 3,28t - \frac{220}{t}.$$

W powyższych wzorach:

v − lepkosc kinematyczna;

d_x − srednica otworu w kubku;

t − czas wyplywu cieczy z kubka.

1. Pomiary temperatury kroplenia smarów

Aby wyznaczyć temperatury kroplenia wazeliny, trzeba było równo wypełnić końcówkę termometru badawczego ww. smarem Tak przygotowany termometr umieszczono w stanowisku pomiarowym. Kolejnym punktem naszego ćwiczenia było napełnienie naczynia ciepłą wodą i włączenie mieszadła. Wykonując doświadczenie zapisywaliśmy dwie temperatury: wody oraz smaru w momencie oderwania się jego kropli. Średnią arytmetyczną obu wskazań uznano za temperaturę kroplenia smaru. Aby pomiary były dokładniejsze, zostały powtórzone trzykrotnie. Średnia wyników czterech pomiarów to szukana temperatura kroplenia badanego preparatu.

1. Pomiary gęstości pozornej ciał stałych.

Tę część pomiarów wykonano przy użyciu wagi hydrostatycznej. Wykonując ćwiczenie powoływaliśmy się na prawo Archimedesa. Dwukrotnie mierzyliśmy masę badanej substancji znając jej gęstość oraz w powietrzu. Po dokładnym zapoznaniu się z prawem Archimedesa, za pomocą odważników, zawieszonych na ramieniu dźwigni wagi, równoważono wypór ciał.

Do obliczenia gęstości pozornej ciał stałych używaliśmy wzoru:

$$\rho_{s} = m_{p}\frac{\rho_{w} - \rho_{p}}{m_{p} - m_{w}}$$

W powyższym wzorze:

ρ_s- gęstość pozorna ciała, $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

m_p- masa przedmiotu w powietrzu, kg

m_w- masa przedmiotu w cieczy, kg

ρ_w- gęstość wody, $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

ρ_p- gęstość powietrza, $\frac{\text{kg}}{m^{3}}$

Podczas badań używaliśmy wody, a obiekty wykonane były z: mosiądzu, teflonu, stali oraz ceramiki.

Stanowisko pomiarowe

Rysunek 1. Schemat stanowiska do pomiaru temperatury kroplenia smaru.

Rysunek 3: Stanowisko pomiarowe współczynnika lepkości kinematycznej .

Gęstość pozorną ciał stałych wyznaczyliśmy przy pomocy odważników zawieszonych na ramieniu dźwigni wagi, które równoważyły wypór ciała zanurzonego w wodzie.

Protokół pomiarowy

Tabela 1. Protokół wyznaczenia lepkości olejów

Rodzaj oleju	T / °C	Średnica kubka D / mm | Czas wypływu t / s
		D4 | t4
Jasny	38,4	44,72
Jasny	40	40,00
Jasny	25,3	73,28
Ciemny	36,6	59,68
Ciemny	38,4	54,50
Ciemny	25,3	102,18

Tabela 2. Protokół wyznaczania gęstości ciał

Rodzaj próbki	Masa w powietrzu mp, g	Masa w cieczy mw, g
Stal	4,6094	4,0236
Ceramika	9,1387	6,7645
Mosiądz	10,8123	9,4561
Teflon	3,7720	2,0666

Temperatura otoczenia T_ot = 25,1 ^oC

Temperatura wody T_w = 23 ^o C

Tabela 3. Protokół wyznaczania temperatury kroplenia smaru

Smar - Wazelina

Lp.	Temperatura kąpieli Tk / °C	Temperatura smaru Ts / °C
1.	46	49
2.	46	47
3.	45	48
Temperatura kroplenia	48

Wyniki obliczeń

1. Przykładowe obliczenie współczynnika lepkości kinematycznej v dla kubka o średnicy d = 4 mm.

$$v = 1,37t - \frac{200}{t} = 1,37*44,72 - \frac{200}{44,72} = 56,79\ \frac{m^{2}}{s}$$

Dzięki uzyskanym danym mogliśmy wyznaczyć zależności przedstawione poniżej.

Tabela 4. Wyniki obliczeń lepkości kinematycznej .

Rodzaj oleju	T / °C	Średnica kubka D / mm | Czas wypływu t / s
		D4 | t4
Jasny	38,4	44,72
Jasny	40	40,00
Jasny	25,3	73,28
Ciemny	36,6	59,68
Ciemny	38,4	54,50
Ciemny	25,3	102,18

Wykres 1. Zależność v = f(T) dla oleju jasnego.

Wykres 2. Zależność v = f(T) dla oleju ciemnego .

2. Obliczenie temperatury kroplenia smaru

Temperatura kroplenia wazeliny kosmetycznej została wyznaczona za pomocą średniej arytmetycznej z trzech wykonanych pomiarów.

3. Przykładowe obliczenia gęstości pozornej ciał stałych.

$$\rho_{s} = m_{p}\frac{\rho_{w} - \rho_{p}}{m_{p} - m_{w}} = \left( 9,14*10^{- 3} \right)*\frac{1000 - 1,206}{\left( 9,14 - 6,76 \right)*10^{- 3}} = 3836\ ,\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$$

Obliczenia zostały przeprowadzone analogicznie dla pozostałych materiałów.

Tabela 6. Tabela wynikowa gęstości pozornej ciał stałych.

Rodzaj próbki	Masa w powietrzu mp, g	Masa w cieczy mw, g	Gęstość pozorna $\rho_{s},\ \frac{\text{kg}}{m^{3}}$
Stal	4,6094	4,0236	7859
Ceramika	9,1387	6,7645	3836
Mosiądz	10,8123	9,4561	7963
Teflon	3,7720	2,0666	2279

Wnioski

Uzyskana temperatura kroplenia wazeliny kosmetycznej T=48[*C] jest zgodna z danymi książkowymi, mówiącymi, że ww. temperatura wahać się może w granicach 40-60[*C]. Dzięki pomiarom szybkości wypływu olejów o różnych temperaturach wyznaczyć można zależność zmian lepkości w funkcji temperatury.

Aby pomiary obarczone zostały mniejszym błędem można zastosować mieszadło magnetyczne o większej mocy oraz dokładniejsze termometry elektroniczne.

Wartości gęstości pozornych badanych ciał różnią się od wartości oczekiwanych. Można przypuszczać, że waga o dużej dokładności, której używaliśmy ustawiona była na niestabilnym podłożu.

Podczas obliczeń gęstości pozornych uwzględniono gęstość powietrza w temperaturze 20  ^oC.