background image

 

Wydział 
 

Nr zespołu 

Imię i nazwisko 

Pkt przyg. 

Kierunek  

Nr ćwiczenia 
 

Tytuł ćwiczenia 
Wyznaczanie współczynnika lepkości cieczy 

Pkt spraw. 

Grupa  

Data  
 

Pkt koń. 

 

1.  Wprowadzenie 

Lepkość  -  tarcie  wewnętrzne,  to  właściwość  ciał  stałych,  cieczy,  ciekłych  kryształów, 

gazów lub plazmy. Wynika z oddziaływań występujących przy wzajemnym przesuwaniu się 
elementów  tego  samego  ciała.  Oddziaływania  te  charakteryzujemy  wprowadzając  wielkości 
nazywane  współczynnikami  lepkości.  Miarą  tych  oddziaływań  są  siły  lepkości.  W  naszym 
ćwiczeniu zajmiemy się wyznaczeniem współczynnika lepkości dynamicznej cieczy. 

Rozważmy warstwę cieczy o grubości Δl. Doświadczenie wskazuje, że przesunięcie ze stałą 

prędkością, równoległą do powierzchni cieczy, cienkiej płytki, doskonale zwilżanej, o polu po-
wierzchni  S  (rozmiary  liniowe  płytki  są  większe  od  grubości  warstwy),  wymaga  przyłożenia 
stycznej do płytki stałej siły F, która równoważy siłę lepkości F

R

.

 

Siła lepkości istnieje między 

warstewką  przylegającą  do  płytki  i  warstewką  następną  oraz  między  każdą 

sąsiednią  parą 

warstewek.  Poszczególne  warstewki  cieczy  przesuwają  się  (ślizgają  się) równolegle  względem 
siebie, przy czym rozkład prędkości w kierunku osi x. 

Doświadczalnie  stwierdzono,  że  dla  większości  cieczy  (nazywanych  cieczami 

niutonowskimi)  wartość  siły  oporu  lepkiego  jest  proporcjonalna  do  pola  powierzchni  S  i 
wartości gradiętu prędkości dv/dt 

 

 
Współczynnikiem lepkości dynamicznej nazywamy współczynnik proporcjonalności η. Jego 

wymiarem jest: N-s/m

2

 = Pa∙s. 

Siła ta uwarunkowana jest dwoma czynnikami: istnieniem sił spójności (w gazie nie 

występują) oraz ruchem termicznym cząsteczek, który występuje również między warstewkami 
cieczy o różnych prędkościach. Przechodzenie cząsteczek między warstewkami nie zmienia 
charakteru ruchu. Cząsteczki z warstwy o prędkości większej przechodzą do warstwy o 
prędkości mniejszej, przyspieszając ją. Średnio taka sama liczba cząsteczek przechodzi z 
warstwy o prędkości mniejszej do warstwy o prędkości większej, spowalniając ją. W miarę 
wzrostu temperatury siły spójności maleją. Wzrasta liczba przemieszczających się cząsteczek. 
Rezultatem tego jest zmniejszanie się siły oporu - przy ustalonym gradiencie prędkości i 
ustalonym S, siła lepkości maleje. Stąd w cieczach ze wzrostem temperatury współczynnik 
lepkości maleje, w przeciwieństwie do gazów, dla których obserwujemy wzrost współczynnika 
lepkości wraz z temperaturą. 

Podsumowując, możemy stwierdzić, że współczynnik lepkości cieczy zależy od: 
 

1)  rodzaju cieczy, ponieważ od rodzaju cieczy zależą siły międzycząsteczkowe, 
2)  temperatury - maleje ze wzrostem ruchu termicznego cząsteczek. 

 

Rozważania  ograniczamy  do  przepływów  laminarnych.  W  przepływach  laminarnych 

ciecz  płynie  równoległymi  warstwami  z  różnymi  prędkościami,  w  odróżnieniu  od  przepływu 
burzliwego, 
w którym wektor prędkości elementów cieczy zmienia się chaotycznie. 

Charakter przepływu (laminaray czy turbulentny) zależy od wartości bezwymiarowej wielkości 

Re zwanej liczbą Reynoldsa: 

 

dt

dv

R

S

F

background image

 

vl

Re

 

 

 

2.  Metoda pomiaru 

 

Wyznaczanie współczynnika lepkości dynamicznej 

η na podstawie prawa Stokesa 

Przyjmijmy, że w cieczy lepkiej, dla której Re «1, spada z niewielką prędkością kulka. 

Spadająca kulka pociąga za sobą, z powodu istnienia sił międzycząsteczkowych, sąsiadujące z 
kulką warstwy cieczy. Układ warstw cieczy ślizgających się po sobie posiada różne prędkości. 
Kulka razem z warstewką cieczy do niej przylegającą doznaje działania siły oporu lepkiego F

0

.

 

Oprócz siły oporu F

0

 

na spadającą kulkę działają: siła ciężkości G oraz siła wyporu  P, dana 

prawem Archimedesa. 

Wartość siły oporu F

0

 zależy od wielkości  i  kształtu  poruszającego  się 

ciała,  od  prędkości  v  ciała  oraz  od rodzaju  cieczy,  w  której  ciało  porusza 
się. Dla kulki o promieniu r, jest ona określona prawem Stokesa: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

= 6πηfv 

 
Można wykazać, że po pewnym czasie ustali się ruch jednostajny kulki. Zgodnie z I zasadą 

dynamiki Newtona mamy: 

 

G + P + F

0

 = 0 

0

6

2

3

3

4

1

3

3

4

rv

g

r

g

r



 

v

gr

9

2

2

2

1

 

Liczba Reynoldsa Re dla kulki o promieniu r poruszającej się w cieczy określona jest 

wzorem: 

vl

2

Re

 

 

 

Wyznaczanie współczynnika lepkości dynamicznej η na podstawie prawa Hagena-Poiseuille'a 

Siły oporu lepkiego występują również przy przepływie cieczy przez rury czy kapilary. W 

rurkach przy przepływie laminarnym, do wystąpienia którego 
potrzebna  jest  stała  różnica  ciśnień  Δp,  ustala  się  gradient 
prędkości.  Największą  prędkość  posiada  warstewka  cieczy 
poruszająca się wzdłuż osi rurki przy czym w miarę oddalania 
się od osi w kierunku ścianek rurki prędkość warstewek maleje 
do zera. 

Tego typu przepływ opisuje ilościowo prawo Hagena-Poiseuille'a Podaje ono wzór na objętość 
V  cieczy  (lub  gazu)  o  lepkości  dynamicznej  η,  przepływającej  w  czasie  τ

 

przez  kapilarę  o 

promieniu i długości l, na której końcach panuje stała różnica ciśnień p

2

–p

1

 

 

 
 
Na  podstawie  prawa  Hagena-Poiseuille'a  wyznaczamy  zwykle  względny  współczynnik 

lepkości,  tzn.  stosunek  współczynnika  lepkości  η  danej  cieczy  do  współczynnika lepkości  η

w

 

wody destylowanej pozostających w tej samej temperaturze. W tym celu stosuje się wiskozymetry z 

l

R

p

p

V

8

4

1

2

background image

 

kapilarą pionową (Arrheniu-sa, Ostwalda, Englera itp.). Do wymienionych wiskozymetrów należy 
również wiskozymetr Ubbelohde. 

3.  Tabele pomiarowe i obliczenia. 
 
Lp 

h1 

h2 

h3 

h2 – h1  h3 – h1 

ρw 

ρ2 

38,0 

42,7 

12,0 

4,7 

–26 

0,999·10

22 

0,846·10

3

 

 

Kulka 1 

Lp  2r 

[mm]

  s

[cm]

 

s

2

 

[cm]

 

[cm]

 

τ 

[s]

 

2R 

[cm]

  ρ

1

 

[kg·m

-3

]

  η 

[Nsm

-2

]

  η 

[Nsm

-2

]

 

2,48 

25,4 

16,4 

40,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

41,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

41,4 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

40,8 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

41,0 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

40,4 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

41,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

40,8 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

2,48 

25,4 

16,4 

40,6 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

10 

2,48 

25,4 

16,4 

41,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1796 

0,1670 

 

Kulka 2 

Lp  2r 

[mm]

  s

[cm]

 

s

2

 

[cm]

 

[cm]

 

τ 

[s]

 

2R 

[cm]

  ρ

1

 

[kg·m

-3

]

  η 

[Nsm

-2

]

  η 

[Nsm

-2

]

 

2,27 

25,4 

16,4 

48,8 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

48,6 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

47,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

47,8 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

48,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

48,6 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

48,4 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

47,8 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

2,27 

25,4 

16,4 

48,2 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

10 

2,27 

25,4 

16,4 

48,8 

8,5 

1,060

3

10

  0,1731 

0,1637 

 

1

3

2

3

1

2

h

h

h

h

 

 

 

3

3

3

2

10

846

,

0

10

999

,

0

7

,

30

26

m

kg

 

 

s

9

,

40

1

 

 

s

2

,

48

2

 

 
Obliczam teraz prędkość kulek uwzględniając poprawkę według Ladenburga. 

R

r

v

v

2

2

4

.

2

1

~

 

background image

 

 

s

m

s

l

v

3

1

10

4

1

 

 

s

m

s

l

v

3

2

10

5

,

3

2

 

 

s

m

v

3

85

48

,

2

3

1

10

3

,

4

4

,

2

1

10

4

~

 

 

s

m

v

3

85

27

,

2

3

2

10

7

,

3

4

,

2

1

10

5

,

3

~

 

 
Wyznaczam teraz współczynnik lepkości dynamicznej: 
 

v

gr

9

2

2

2

1

 

 

 

2

1796

,

0

10

36

10

54

,

1

81

.

9

10

214

,

0

2

3

6

3

1

m

Ns

 

 

2

1731

,

0

10

5

,

31

10

29

,

1

81

.

9

10

214

,

0

2

3

6

3

2

m

Ns

 

R

r

2

2

4

.

2

1

~

 

 

2

1670

,

0

~

1

m

Ns

 

 

2

1637

,

0

~

2

m

Ns

 

4.  Błędy pomiarowe 

 
Liczę błąd pomiaru pośredniego 

l

l

t

t

r

r

2

1

2

1

2

 

0331

,

0

1796

,

0

2

164

5

,

0

214

,

0

01

,

0

02

,

0

2

,

40

1

,

0

8

,

24

01

,

0

 

 

2

m

Ns

 

 
Ostatecznie: 
 
η

= (0,1796 ± 0,0331) 

 

2

m

Ns

 

η

= (0,1731 ± 0,0331) 

 

2

m

Ns