Overview
Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley,Dipartimento di Ingegneria Chimica, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
La viscosità è una misura della resistenza al flusso di un fluido ed è un parametro utile nella progettazione di un'efficiente lavorazione del prodotto e del controllo di qualità in una vasta gamma di settori. Una varietà di viscosimetri viene utilizzata per ottenere le letture più accurate dei materiali sperimentali. Il metodo standard di misurazione della viscosità è attraverso un viscosimetro a tubo di vetro, che stima la viscosità misurando la quantità di tempo necessaria al fluido per fluire attraverso un tubo capillare in vetro1.
I viscosimetri rotazionali funzionano applicando forze di taglio e misurando il tempo necessario per un flussodi 1. Questi viscosimetri sfruttano la forza di flusso del fluido e possono utilizzare un sistema a molla o un sistema di encoder digitale1. Esistono anche diversi sistemi di misurazione, con lo standard che è un sistema a cono e piastra, in cui il fluido scorre sotto la forma del cono e sopra la piastra, al fine di ridurre al minimo lo stress di taglio1. I sistemi di piastre parallele utilizzano due piastre parallele ed è ideale per la misurazione attraverso i gradienti di temperatura, consentendo una transizione graduale1. I sistemi Couette utilizzano una tazza e un materiale di riempimento e il fluido scorre tra i due1. Questi sistemi sono i migliori per i materiali con bassa viscosità, poiché questo sistema riduce al minimo lo stress da taglio, ma il sistema è anche più difficile da utilizzare di routine a causa di problemi con la pulizia e che richiedono maggiori volumi di fluido1.
In questo esperimento, un viscosimetro Cannon-Fenske sarà utilizzato per misurare le viscosità di diverse soluzioni di glicole propilenico per determinare la relazione tra viscosità e composizione.
Principles
La viscosità cinematica è il rapporto tra viscosità dinamica e densità. Il rapporto tra lo sforzo di taglio e la velocità di taglio è la viscosità dinamica di un fluido, che è una misura della resistenza alla deformazione nel flusso laminare per un fluido newtoniano. Questo rapporto è unico per la viscosità cinematica, che consente l'interpolazione per una variabile sconosciuta considerando due variabili, viscosità cinematica e concentrazione.
Temperatura, densità e composizione possono creare cambiamenti nella deformazione del flusso. La pressione è trascurabile sui fluidi in fase liquida, quindi non tiene conto di questo esperimento. La viscosità cinematica può essere misurata utilizzando un viscosimetro a causa della relazione presentata nella legge di Hagen-Poiseuille, che esprime che la caduta di pressione è dovuta alla gravità, alla viscosità dinamica e alla viscosità cinematica. La viscosità cinematica può anche essere correlata al tempo utilizzando una costante viscosimetrica specifica per ogni vetro capillare,
dove 
è la viscosità cinematica, C è la costante viscosimetrica e t è il tempo. Le costanti del viscosimetro sono generalmente misurate e fornite dal produttore del viscosimetro. L'equazione di cui sopra viene utilizzata per determinare la viscosità cinematica, che può essere convertita in viscosità dinamica moltiplicando per la densità del fluido,
dove μ è la viscosità dinamica, è la viscosità cinematica e ρ è la densità. Queste informazioni possono essere utilizzate per correlare graficamente la concentrazione di soluto e la viscosità dinamica.
Il viscosimetro Cannon-Fenske è ampiamente utilizzato per misurare la viscosità di varie soluzioni. Il viscosimetro è immerso in un grande bagno d'acqua che contiene una bobina di controllo della temperatura e un'aletta per mantenere costante il termoequilibrio. Il capillare restringe il flusso verso il basso del liquido, in modo che il tempo necessario al liquido per viaggiare attraverso la regione capillare sia moltiplicato per la costante viscosimetrica per dare la viscosità cinematica. La vetreria capillare più grande viene utilizzata per misurare soluzioni con viscosità più elevate. Le soluzioni più viscose richiedono più tempo per viaggiare attraverso un vetro capillare. Queste informazioni possono essere utilizzate per confrontare l'incognita con le concentrazioni note.
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Procedure
1. Preparazione del viscosimetro
- Preparare sette soluzioni con concentrazioni variabili di glicole propilenico in acqua (tra 0 - 100 mole % polipropilenglicole). Etichetta tutte le soluzioni. Questi saranno utilizzati per la calibrazione. Ottenere un campione della concentrazione sconosciuta e metterlo da parte
- Controllare i campioni per lanugine, polvere o altro materiale solido. Se necessario, filtrare il campione attraverso un filtro in vetro sinterizzato o uno schermo a maglie fini.
- Pulire l'apposito viscosimetro con acqua e asciugare con aria filtrata per rimuovere le tracce finali di solventi. Le soluzioni a viscosità inferiore utilizzeranno vetreria capillare di dimensioni 50, la dimensione 100 verrà utilizzata per la soluzione sconosciuta e le soluzioni a viscosità superiore utilizzeranno vetreria capillare di dimensioni 150.
2. Ricarica del viscosimetro
- Versare il campione nel viscosimetro fino a riempire almeno la metà della lampadina più grande. Quindi, pulire il braccio.
- Posizionare il viscosimetro nel supporto e inserirlo nel bagno a temperatura costante. Allinealo verticalmente con un piccolo filo a piombo nel tubo grande o usa un supporto autoallineante.
- Lasciare che il campione si equilibra alla temperatura del bagno d'acqua. Lasciare circa 10 minuti affinché il campione arrivi alla temperatura del bagno a 40 °C e 15 minuti a 100 °C.
- Applicare l'aspirazione sul braccio e aspirare il liquido nel tubo.
3. Misurare l'Efflux
- Utilizzare un cronometro e misurare il tempo necessario affinché il menisco del campione scorra tra i segni indicati. Questo è il tempo di efflusso
- Ripetere i passaggi 6 e 7 per le esecuzioni duplicate. E ripeti l'intera procedura per ogni campione.
La viscosità è una misura della resistenza al flusso di un fluido ed è un parametro utile nella progettazione di un'efficiente lavorazione del prodotto e del controllo qualità in una vasta gamma di settori. La viscosità descrive l'attrito interno di un fluido in movimento. Un fluido con un'elevata viscosità resiste al flusso, mentre un fluido con una bassa viscosità scorre più facilmente. Un viscosimetro a tubo di vetro è comunemente usato per determinare la viscosità, che misura il tempo necessario affinché un fluido scorra attraverso un tubo capillare. Viscosimetri rotazionali come con una geometria a piastra parallela, applicare forze di taglio e misurare la coppia necessaria per ruotare il fluido. Questo video illustra i principi della viscosità, dimostra come utilizzare un viscosimetro per determinare la concentrazione sconosciuta di una soluzione di glicole propilenico e discute alcune applicazioni industriali.
Per iniziare, rivediamo i principi di viscosità. La viscosità dinamica di un fluido descrive la forza per unità di superficie, nota come sforzo di taglio, necessaria per spostare il fluido, in questo caso, parallelamente a un piano. Il fluido a stretto contatto con la piastra inferiore rimane a riposo e il fluido che tocca la piastra superiore ha la stessa velocità di quella piastra. Questo gradiente di velocità è dovuto all'attrito interno tra gli strati di fluido ed è noto come il tasso di deformazione da taglio. La viscosità dinamica è definita come la sollecitazione di taglio divisa per la velocità di deformazione da taglio. La viscosità può essere influenzata dalla temperatura, dalla densità del fluido e dalla composizione. I cambiamenti di pressione, tuttavia, hanno un effetto trascurabile. Una volta che la viscosità dinamica è nota, la viscosità cinematica è il rapporto tra viscosità dinamica e densità del fluido. Questa è una misura della resistenza del fluido al flusso dovuta alla gravità. Diversi strumenti misurano sperimentalmente la viscosità cinematica, come il viscosimetro Canon-Fenske. Questo apparecchio è costituito da un grande bagno d'acqua a temperatura controllata con alette per mantenere costante l'equilibrio termico. Vengono utilizzati tubi capillari di dimensioni diverse a seconda della viscosità approssimativa del fluido. Usando questo apparecchio, il fluido viene versato nel tubo e aspirato oltre i segni incisi. Quindi, viene misurato il tempo necessario affinché il fluido viaggi indietro attraverso il tubo capillare, noto come tempo di efflusso. Il tempo di efflusso viene quindi moltiplicato per la costante di calibrazione del viscosimetro, che è specifica per il vetro capillare utilizzato per dare la viscosità cinematica. Ora che conosci i fondamenti della viscosità, misuriamo la viscosità cinematica delle soluzioni note di glicole propilenico per determinare la concentrazione di un campione sconosciuto.
Inizia l'esperimento preparando sette soluzioni per la calibrazione con concentrazioni variabili di glicole propilenico e acqua. Etichettare tutte le soluzioni con la concentrazione. Ottenere un campione della concentrazione sconosciuta e metterlo da parte. Controllare tutti i campioni liquidi per lanugine, polvere o particelle solide prima dell'uso e, se necessario, filtrare il campione attraverso un filtro di vetro centrato. Quindi, pulire il viscosimetro con acqua e asciugarlo con aria filtrata. Ricordarsi di utilizzare il tubo capillare di vetro di dimensioni appropriate per il viscosimetro, che dipende dalla viscosità approssimativa della soluzione da testare.
Ora, versare un campione nel viscosimetro, quindi pulire il braccio. Quindi, posizionare il viscosimetro nel supporto e inserirlo nel bagno di temperatura. Attendere da 10 a 15 minuti per consentire al campione di equilibrarsi alla temperatura del bagno. Quindi applicare l'aspirazione al braccio e disegnare il campione nel tubo. Ora prendi un cronometro e misura il tempo necessario affinché il campione scorra liberamente lungo il tubo capillare dopo aver lasciato il punto finale contrassegnato. Questo è il tuo tempo di efflusso. Ripetere la procedura per ogni campione. Ora che tutte le viscosità sono state misurate, diamo un'occhiata ai risultati e determiniamo la concentrazione del campione sconosciuto.
Per trovare la concentrazione del campione sconosciuto utilizzare i dati dei campioni noti e interpolare la viscosità della soluzione sconosciuta. Innanzitutto, determinare le viscosità cinematiche moltiplicando il tempo misurato per la costante del viscosimetro. Quindi convertire la viscosità cinematica in viscosità dinamica moltiplicando per la densità di massa. Quindi, tracciare le viscosità cinematiche in funzione delle molarità dei campioni noti. Il grafico mostra che la viscosità aumenta con l'aumentare della concentrazione di glicole propilenico. Determinare la relazione lineare tra viscosità cinematica e concentrazione di propilene. Quindi, interpolare la concentrazione del campione sconosciuto usando la sua viscosità misurata. In questa dimostrazione, il campione sconosciuto conteneva il 45 mol per cento di glicole propilenico. Ora che hai imparato come la viscosità viene utilizzata per determinare la concentrazione, esaminiamo le numerose applicazioni della viscosità in ambienti industriali.
Il test della viscosità è importante in molti campi industriali che vanno dalla raffineria di petrolio e dalla produzione di celle solari alle applicazioni biomediche e alla ricerca. La misurazione precisa della viscosità nell'industria petrolchimica è di alta priorità perché viene utilizzata non solo per determinare la composizione del petrolio greggio, ma anche per valutare il controllo di qualità nei prodotti petrolchimici. La viscosità varia dal petrolio greggio agli idrocarburi liquidi e deve essere considerata per condizioni operative efficienti di estrazione, manipolazione e raffinazione. La caratterizzazione reologica di sospensioni altamente concentrate è obbligatoria anche per lo sviluppo di applicazioni che coinvolgono fluidi complessi, come quelli utilizzati nella metallizzazione delle celle solari. Le proprietà di flusso delle paste conduttive devono essere attentamente regolate per garantire una lavorazione indisturbata e priva di difetti e prevenire la sedimentazione e l'aggregazione delle particelle. In medicina, le tecniche micro reologiche sono strumenti diagnostici che indagano la deformabilità dei globuli rossi e rilevano malattie del sangue come l'anemia falciforme, che influenzano la viscosità del sangue. I protocolli che utilizzano la microflussica con velocità di taglio regolabili e l'elaborazione delle immagini vengono utilizzati per determinare quantitativamente l'aggregazione dei globuli rossi nel microcircolo. Questi protocolli sono anche utilizzati per caratterizzare il tessuto umano, come la materia cerebrale, per comprendere meglio la struttura e progettare materiali bioispirati.
Hai appena visto l'introduzione di JOVE alla viscosità. Ora dovresti conoscere i principi fondamentali della viscosità, essere in grado di utilizzare un viscosimetro e comprendere l'importanza della viscosità in una varietà di applicazioni. Grazie per l'attenzione.
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Results
In questo esperimento è stata misurata la viscosità di diverse concentrazioni di glicole propilenico. Come previsto, la viscosità è risultata aumentare con la concentrazione di glicole propilenico. Il tempo in cui le soluzioni campione attraversano il viscosimetro è stato misurato e utilizzato per determinare la viscosità cinematica. Sono state raccolte numerose misurazioni per ridurre al minimo l'errore casuale.
La viscosità cinematica è stata determinata utilizzando il tempo misurato e la costante del viscosimetro:
Quindi, la viscosità cinematica è stata moltiplicata per la densità per dare la viscosità dinamica:
La concentrazione sconosciuta è stata calcolata e confrontata con le soluzioni campione conosciute. L'interpolazione lineare è stata utilizzata per stimare la concentrazione e la relazione era più adatta a una funzione lineare (Figura 1).
Per l'equazione di cui sopra, sono stati utilizzati due punti dati noti di viscosità cinematica e concentrazione, e x è stato impostato come viscosità misurata della soluzione sconosciuta. La soluzione è stata risolta per y per trovare la concentrazione del campione sconosciuto. La funzione grafica di Excel può anche essere utilizzata per tracciare una linea di tendenza attraverso il set di dati e fornire un'equazione di adattamento migliore.
Figura 1: La relazione tra concentrazione di soluzione e viscosità ha dimostrato un adattamento lineare.
Questo grafico mostra che il logaritmo naturale di viscosità e composizione segue una relazione lineare. Quando la composizione del soluto aumenta in una soluzione, aumenta anche la viscosità. Conoscendo questa relazione, la concentrazione della soluzione sconosciuta si trova facilmente misurando la sua viscosità e mettendola in relazione con la relazione nota tra concentrazione e viscosità. L'accuratezza sperimentale può essere migliorata misurando concentrazioni più conosciute o utilizzando un termometro più preciso.
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Applications and Summary
L'obiettivo di questo esperimento era quello di testare la relazione tra viscosità e composizione utilizzando la viscosità della sostanza sconosciuta per trovare la sua composizione. Sono state testate un certo numero di soluzioni di concentrazione note di glicole propilenico e una soluzione di concentrazione sconosciuta. Le relazioni tra densità, viscosità dinamica e viscosità cinematica sono state utilizzate per confrontare le soluzioni. Poiché le soluzioni diventano più viscose man mano che diventano più concentrate, siamo stati in grado di restringere la concentrazione della soluzione sconosciuta a un piccolo intervallo. L'interpolazione lineare è stata utilizzata per stimare la concentrazione e la relazione era più adatta a una funzione lineare. Per questo esperimento, aumentare la precisione del termometro avrebbe potuto ridurre significativamente la nostra incertezza, poiché è la principale fonte di errore. Si sarebbe potuto anche testare più concentrazioni per aumentare la precisione.
Test di viscosità accurati sono importanti per una varietà di campi. Nell'industria di trasformazione alimentare, gli alimenti devono essere testati per la viscosità durante la loro creazione in quanto vengono trasportati in una struttura2. Queste misurazioni vengono utilizzate per massimizzare l'efficienza del processo e per stabilire standard per la produzione2. La viscosità è importante per l'industria alimentare perché determinerà quanto tempo ci vorrà per il trasporto di alimenti attraverso un tubo o un processore, quanto tempo ci vorrà per asciugare il cibo e il tempo necessario per erogare il cibo nell'imballaggio per il trasporto e la vendita al dettaglio2. Gli ingegneri utilizzeranno la viscosità per massimizzare il flusso del prodotto attraverso le tubazioni al fine di risparmiare energia e massimizzare il prodotto, senza diminuire la qualità del prodotto finito2. La viscosità è anche importante per stabilire standard di sicurezza per la forza che può essere applicata a materiali e prodotti senza danneggiarlo2.
Nell'industria petrolifera, la viscosità è un controllo importante per la valutazione della qualità3. Al momento dell'acquisto o della lavorazione del petrolio greggio, le aziende devono misurare la viscosità per determinare il trattamento appropriato3. La viscosità fornisce importanti informazioni sulla composizione del petrolio greggio3. L'olio di diverse composizioni viene utilizzato per creare diversi prodotti3. Alcune raffinerie possono lavorare solo oli di una certa viscosità, quindi è importante un test accurato per determinare quali materiali possono utilizzare per la raffinazione3. Nella raffinazione del petrolio, la viscosità dell'olio viene utilizzata per pianificare i metodi più efficienti per l'estrazione, il trasporto e il metodo di raffinazione3. La temperatura può anche avere un impatto sulla viscosità dell'olio, quindi è necessario mettere in atto controlli per avere l'olio a una temperatura appropriata per la sua viscosità3. Inoltre, la viscosità di un olio determinerà il modo in cui viene pulito in caso di perdita3.
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References
- Basic Introduction to Viscometry." A Basic Introduction to Viscometry. N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
- Scientific. "What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important?" What is Viscosity, and Why is Measuring Viscosity Important? N.p., n.d. Web. 7 Jan. 2017.
- Applications." Anton Paar. N.p., n.d. Web. 13 Jan. 2017.
