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Die Viskosität ist ein Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit und ein nützlicher Parameter bei der Gestaltung einer effizienten Produktverarbeitung und Qualitätskontrolle in einer Vielzahl von Branchen. Die Viskosität beschreibt die innere Reibung eines bewegten Fluids. Eine Flüssigkeit mit einer hohen Viskosität widersteht der Strömung, während eine Flüssigkeit mit einer niedrigen Viskosität leichter fließt. Ein Glasrohrviskosimeter wird häufig zur Bestimmung der Viskosität verwendet, die die Zeit misst, die eine Flüssigkeit benötigt, um durch ein Kapillarrohr zu fließen. Rotationsviskosimeter, z. B. mit paralleler Plattengeometrie, üben Scherkräfte auf und messen das Drehmoment, das zum Drehen des Fluids erforderlich ist. Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien der Viskosität, zeigt, wie man mit einem Viskosimeter die unbekannte Konzentration einer Propylenglykollösung bestimmt und diskutiert einige industrielle Anwendungen.
Lassen Sie uns zunächst die Prinzipien der Viskosität überprüfen. Die dynamische Viskosität eines Fluids beschreibt die Kraft pro Oberflächeneinheit, die sogenannte Schubspannung, die erforderlich ist, um ein Fluid, in diesem Fall, parallel zu einer Ebene zu bewegen. Die Flüssigkeit, die in engem Kontakt mit der Bodenplatte steht, bleibt in Ruhe, und die Flüssigkeit, die die obere Platte berührt, hat die gleiche Geschwindigkeit wie diese Platte. Dieser Geschwindigkeitsgradient ist auf die innere Reibung zwischen den Flüssigkeitsschichten zurückzuführen und wird als Scherverformungsrate bezeichnet. Die dynamische Viskosität ist definiert als die Schubspannung dividiert durch die Geschwindigkeit der Schubverformung. Die Viskosität kann durch Temperatur, Fluiddichte und Zusammensetzung beeinflusst werden. Druckänderungen haben jedoch einen vernachlässigbaren Effekt. Sobald die dynamische Viskosität bekannt ist, ist die kinematische Viskosität das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte des Fluids. Dies ist ein Maß für den Strömungswiderstand der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft. Verschiedene Instrumente messen die kinematische Viskosität experimentell, wie z. B. das Canon-Fenske-Viskosimeter. Diese Vorrichtung besteht aus einem großen temperaturgesteuerten Wasserbad mit Lamellen, um ein konstantes thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Es werden unterschiedlich große Kapillarrohre verwendet, abhängig von der ungefähren Viskosität der Flüssigkeit. Mit dieser Vorrichtung wird Flüssigkeit in das Rohr gegossen und an den geätzten Markierungen vorbei gesaugt. Dann wird die Zeit gemessen, die die Flüssigkeit benötigt, um durch das Kapillarrohr zurück zu gelangen, die sogenannte Ausflusszeit. Die Ausströmzeit wird dann mit der Kalibrierkonstante des Viskosimeters multipliziert, die spezifisch für das Kapillarglas ist, das zur Angabe der kinematischen Viskosität verwendet wird. Nachdem Sie nun die Grundlagen der Viskosität kennen, messen wir die kinematische Viskosität bekannter Propylenglykollösungen, um die Konzentration einer unbekannten Probe zu bestimmen.
Beginnen Sie das Experiment, indem Sie sieben Lösungen für die Kalibrierung mit unterschiedlichen Konzentrationen von Propylenglykol und Wasser vorbereiten. Kennzeichnen Sie alle Lösungen mit der Konzentration. Entnehmen Sie eine Probe mit der unbekannten Konzentration und stellen Sie sie beiseite. Überprüfen Sie alle flüssigen Proben vor der Verwendung auf Flusen, Staub oder feste Partikel und filtern Sie die Probe bei Bedarf durch einen zentrierten Glasfilter. Reinigen Sie anschließend das Viskosimeter mit Wasser und trocknen Sie es mit gefilterter Luft. Denken Sie daran, das Glaskapillarrohr in geeigneter Größe für das Viskosimeter zu verwenden, das von der ungefähren Viskosität der zu prüfenden Lösung abhängt.
Gießen Sie nun eine Probe in das Viskosimeter und wischen Sie dann den Arm sauber. Setzen Sie anschließend das Viskosimeter in die Halterung ein und setzen Sie es in das Temperaturbad ein. Warten Sie 10 bis 15 Minuten, damit sich die Probe auf die Badtemperatur ausgleichen kann. Saugen Sie dann den Arm an und ziehen Sie die Probe in das Röhrchen. Nehmen Sie nun eine Stoppuhr und messen Sie die Zeit, die die Probe benötigt, um nach Verlassen des markierten Endpunkts frei durch das Kapillarröhrchen zu fließen. Dies ist Ihre Ausflusszeit. Wiederholen Sie den Vorgang für jede Probe. Nachdem nun alle Viskositäten gemessen wurden, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse und bestimmen die Konzentration der unbekannten Probe.
Um die Konzentration der unbekannten Probe zu ermitteln, verwenden Sie die Daten der bekannten Proben und interpolieren Sie die Viskosität der unbekannten Lösung. Bestimmen Sie zunächst die kinematischen Viskositäten, indem Sie die gemessene Zeit mit der Viskosimeterkonstante multiplizieren. Wandeln Sie dann die kinematische Viskosität in eine dynamische Viskosität um, indem Sie sie mit der Massendichte multiplizieren. Als nächstes stellen Sie die kinematischen Viskositäten als Funktion der Molaritäten der bekannten Proben dar. Die Grafik zeigt, dass die Viskosität mit zunehmender Propylenglykolkonzentration zunimmt. Bestimmen Sie den linearen Zusammenhang zwischen kinematischer Viskosität und Propylenkonzentration. Interpolieren Sie dann die Konzentration der unbekannten Probe anhand ihrer gemessenen Viskosität. In dieser Demonstration enthielt die unbekannte Probe 45 Molprozent Propylenglykol. Nachdem Sie nun gelernt haben, wie die Viskosität zur Bestimmung der Konzentration verwendet wird, wollen wir uns die vielen Anwendungen der Viskosität in industriellen Umgebungen ansehen.
Die Prüfung der Viskosität ist in vielen Industriebereichen wichtig, von der Erdölraffinerie und der Solarzellenproduktion bis hin zu biomedizinischen Anwendungen und Forschung. Die präzise Messung der Viskosität in der petrochemischen Industrie hat hohe Priorität, da sie nicht nur zur Bestimmung der Rohölzusammensetzung, sondern auch zur Bewertung der Qualitätskontrolle in petrochemischen Produkten verwendet wird. Die Viskosität variiert von Rohöl bis hin zu flüssigen Kohlenwasserstoffen und muss für eine effiziente Extraktion, Handhabung und Betriebsbedingungen in der Raffinerie berücksichtigt werden. Die rheologische Charakterisierung hochkonzentrierter Suspensionen ist auch für die Produktentwicklung von Anwendungen mit komplexen Flüssigkeiten, wie sie bei der Metallisierung von Solarzellen verwendet werden, zwingend erforderlich. Die Fließeigenschaften leitfähiger Pasten müssen sorgfältig eingestellt werden, um eine ungestörte, fehlerfreie Verarbeitung zu gewährleisten und Sedimentation und Partikelaggregation zu verhindern. In der Medizin sind mikrorheologische Techniken diagnostische Instrumente, um die Verformbarkeit der roten Blutkörperchen zu untersuchen und Blutkrankheiten wie Sichelzellenanämie zu erkennen, die die Blutviskosität beeinflussen. Protokolle, die Mikrofluidik mit einstellbaren Scherraten und Bildverarbeitung verwenden, werden verwendet, um die Aggregation roter Blutkörperchen in der Mikrozirkulation quantitativ zu bestimmen. Diese Protokolle werden auch verwendet, um menschliches Gewebe, wie z. B. Gehirnsubstanz, zu charakterisieren, um die Struktur besser zu verstehen und bioinspirierte Materialien zu entwickeln.
Sie haben gerade die Einführung von JOVE in die Viskosität gesehen. Sie sollten nun die Grundprinzipien der Viskosität kennen, in der Lage sein, ein Viskosimeter zu bedienen und die Bedeutung der Viskosität in einer Vielzahl von Anwendungen verstehen. Danke fürs Zuschauen.
