Реферат «Измерение плотности и вязкости веществ»

Министерство образования и науки Российской Федерации


Реферат
«Измерение плотности и вязкости веществ»

2014

Содержание:

Введение

1. 
   Понятие плотности вещества
   
2. 
   Измерение плотности вещества
   
3. 
   Понятие вязкости вещества
   
4. 
   Измерение вязкости вещества
   
5. 
   Условия измерений
   

Заключение
Список литературы
Введение
плотность вязкость вещество
В химической промышленности, где многие продукты или исходные вещества представляют собой жидкости, необходимо точно знать их химические и физические свойства, к числу которых относятся плотность и вязкость.
Без установления точного значения этих параметров невозможно спроектировать реакторы, подходящие для того или иного технологического процесса, трубопроводы или теплообменники, от них зависят как габариты, так и конструкция аппаратов.
К примеру, плотность и вязкость оказывают большое влияние на скорость истечения жидкости, что необходимо учитывать при проектировании технологического процесса. В настоящее время процедуру измерения этих параметров можно автоматизировать, что значительно повышает точность и эффективность контроля над процессом.

1. 
   
2. 
   Понятие плотности
   

Плотность — скалярная физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма. Для неоднородного вещества плотность в определённой точке вычисляется как предел отношения массы тела  к его объёму  , когда объём стягивается к этой точке. Средняя плотность неоднородного вещества есть отношение  . Для однородного тела средняя плотность является просто плотностью тела.

Данное определение относится к, так называемой, поверхностной плотности, но существуют и другие виды плотности.
Виды плотности и единицы измерения
Плотность измеряется в  в системе СИ и в  в системе СГС.
Различают:
Среднюю плотность тела — отношение массы тела к его объёму.
Плотность вещества — это плотность тела, полностью состоящего из данного вещества.
Плотность тела в точке — это предел отношения массы малой части тела  , содержащей эту точку, к объёму этой малой части  , когда этот объём стремится к нулю, или, записывая кратко,  .
При таком предельном переходе необходимо помнить, что на атомарном уровне любое тело неоднородно, поэтому необходимо остановиться на объёме, соответствующем используемой физической модели.
Для сыпучих и пористых тел существуют следующие разновидности плотности:

1. 
   Истинная плотность, определяемая без учёта пустот;
   
2. 
   Кажущаяся плотность, рассчитываемая как отношение массы вещества ко всему занимаемому им объёму.
   

Истинную плотность из кажущейся получают с помощью величины порозности — доли объёма пустот в занимаемом объёме.
В зависимости от температуры значения одного и того же вещества могут значительно отличаться друг от друга.
Как правило, при уменьшении температуры плотность увеличивается, хотя встречаются аномальные вещества, плотность которых ведет себя иначе, К числу таких веществ относятся вода, бронза и чугун.
Так, плотность воды имеет максимальное значение при 4 ℃ и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры.
При изменении агрегатного состояния плотность вещества меняется скачкообразно: плотность растёт при переходе из газообразного состояния в жидкое и при затвердевании жидкости. Правда, вода является исключением из этого правила, её плотность при затвердевании уменьшается.
Для различных природных объектов плотность меняется в очень широком диапазоне. Самую низкую плотность имеет межгалактическая среда (ρ ~ 10−33 кг/м³). Плотность межзвёздной среды порядка 10−21 кг/м³. Средняя плотность Солнца примерно в 1,5 раза выше плотности воды, равной 1000 кг/м³, а средняя плотность Земли равна 5520 кг/м³.

Таблица 1 - Плотности некоторых газов

Плотность газов и паров (0° С, 101325 Па), кг/м³
Азот	1,250	Кислород	1,429
Аммиак	0,771	Криптон	3,743
Аргон	1,784	Ксенон	5,851
Водород	0,090	Метан	0,717
Водяной пар (100°С)	0,598	Неон	0,900
Воздух	1,293	Углекислый газ	1,977
Хлор	3,214	Гелий	0,178
Этилен	1,260

Наибольшую плотность среди металлов имеет осмий (22 500 кг/м³), а плотность нейтронных звёзд имеет порядок 1017÷1018 кг/м³.

Таблица 2 - Плотности некоторых жидкостей

Плотность жидкостей, г/см³
Бензин	0,74	Молоко	1,03
Вода (4°C)	1,00	Ртуть (0°C)	13,60
Керосин	0,82	Эфир	0,72
Глицерин	1,26	Спирт	0,80
Морская вода	1,03	Скипидар	0,86
Масло оливковое	0,92	Ацетон	0,792
Масло машинное	0,91	Серная кислота	1,84
Нефть	0,81—0,85	Жидкий водород (−253°C)	0,07

Плотность однородного тела или вещества можно найти по формуле:

Где  - масса тела, либо некого объёма вещества, а  - данный объём либо объём тела.
При вычислении плотности газов эту формулу можно записать так:





где  — молярная масса газа, — молярный объём (при нормальных условиях равен 22,4 л/моль).
Плотность тела в точке записывается как  , тогда масса неоднородного тела (тела с плотностью, зависящей от места) рассчитывается как

3. 
   Измерение плотности вещества
   

Для измерения плотности можно использовать следующие приборы:

Пикнометр — физико-химический прибор, стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимости, применяемый для измерения плотности веществ, в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. Пикнометр был изобретён Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1859 году.
Измерение плотности пикнометром основано на взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии), заполняющего пикнометр до метки на горловине или до верхнего края капилляра, что соответствует номинальной вместимости пикнометра. Измерения объёма значительно упрощаются, если вместо одной метки у пикнометра имеется шкала. Очень удобен в работе пикнометр с боковой капиллярной трубкой, у которой пробкой служит тело термометра. Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в пикнометр с жидкостью. Для измерения плотности газов применяют пикнометр специальной формы (шаровидные и др.).
Основными достоинствами пикнометрического метода определения плотности являются высокая точность измерений; возможность использования малых количеств вещества; малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха; раздельное проведение операций термостатирования и последующего взвешивания.



Рис. 1. Пикнометр

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей, принцип работы которого основан на Законе Архимеда. Считается, что ареометр изобрела Гипатия.

Обычно представляет собой стеклянную трубку, нижняя часть которой при калибровке заполняется дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора или концентрации растворенного вещества. Плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объему, на который он погружается в жидкость. Соответственно, различают ареометры постоянного объёма и ареометры постоянной массы.
Для измерения плотности жидкости ареометром постоянной массы сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.
Для измерения ареометром постоянного объёма изменяют его массу, достигая его погружения до определённой метки. Плотность определяется по массе груза (например, гирек) и объёму вытесненной жидкости.



Рис 2. Ареометр. 1 — корпус; 2 — балласт; 3 — связующее вещество; 4 — тарелка для гирь; 5 — кольцевая метка

Для измерения плотности почвы используют Бур Качинского.

Набор Качинского состоит из киянки, болванки особой формы (Предназначена для правки бюксов), оправки для забивания бурика, мастерка и ножа для вырезания образца и специальных бюксов.
Бюксы специально разработаны таким образом, чтобы в них с минимальным зазором входил Бурик Качинского. При отборе образцов песчаных и других рыхлосвязанных почв бурик Качинского закрывается крышкой от бюкса Качинского, таким образом, исключается высыпание почвы.
Бурик забивается в почву при помощи киянки через специальную оправку. Оправка устроена так, чтобы не допустить уплотнения почвы внутри бурика. При забивании бурика глубже нормы оправка упирается в почву вокруг бурика. Затем бурик вместе с почвенным образцом вырезается из почвы и обрезается, будучи накрыт крышкой от бюкса Качинского. После этого содержимое бурика переносится в бюкс Качинского.
Объём образца чётко задан конструкцией бурика и методикой, масса рассчитывается по разнице веса. Таким образом можно рассчитать плотность (объёмный вес) почвы
В автоматизированных системах для измерения вязкости используется вибрационный плотномер — прибор, предназначенный для преобразования значения плотности контролируемой среды в аналоговый или цифровой электрический сигнал для передачи его в системы телеметрии или автоматики и/или отображения значения плотности на цифровом табло.
Вибрационный плотномер содержит колебательную систему, обычно в виде камертона, возбуждаемую на резонансной частоте с помощью пьезоэлектрических преобразователей. Резонансная частота колебательной системы зависит от плотности окружающей камертон среды. Используются для измерения плотности жидкости и газов под давлением.
Известны вибрационные плотномеры проточные, предназначенные для контроля плотности движущейся в трубопроводе среды, и погружные, для контроля плотности среды в резервуарах.
Проточные вибрационные плотномеры используют для измерений на потоке нефти в промысловых условиях. Датчик такого плотномера представляет собой тонкостенный цилинр, внутри которого расположена электронная автоколебательная система, сообщающая цилиндру незатухающие колебания. Колебания цилиндра передаются окружающей жидкости, причем частота колебаний тем меньше, чем больше плотность среды. Зависимость плотности от частоты колебаний цилиндра в жидкости имеет то же математическое выражение, что и для газа
Преимущества вибрационных плотномеров: отсутствие движущихся частей, нейтральность к электрическим свойствам среды, высокая точность и стабильность измерений (+0,3-1,0 кг/м3), работоспособность при высоких и низких температурах (от минус 70 до 200 °C), больших статических давлениях (до 20 МПа), малые масса и габариты, компактность (диаметр 25 мм), низкое энергопотребление (0,5-2,5 Вт).

4. 
   
5. 
   Понятие вязкости вещества
   

Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.
Динамическая вязкость
Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

Коэффициент вязкости  (коэффициент динамической вязкости, динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что  будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.
Кинематическая вязкость
В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной:

и эта величина получила название кинематической вязкости. Здесь  — плотность жидкости;  — коэффициент динамической вязкости.

Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт).
Условная вязкость
Условная вязкость — величина, косвенно характеризующая гидравлическое сопротивление течению, измеряемая временем истечения заданного объёма раствора через вертикальную трубку (определённого диаметра). Измеряют в градусах Энглера (по имени немецкого химика К. О. Энглера), обозначают — °ВУ. Определяется отношением времени истечения 200  испытываемой жидкости при данной температуре из специального вискозиметра ко времени истечения 200  дистиллированной воды из того же прибора при 20 °С.
Ньютоновские и неньютоновские жидкости
Ньютоновскими называют жидкости, для которых вязкость не зависит от скорости деформации.
Среди неньютоновских жидкостей, по зависимости вязкости от скорости деформации различают псевдопластики и дилатантные жидкости. Если вязкость меняется с течением времени, жидкость называется тиксотропной. Для неньютоновских жидкостей методика измерения вязкости получает первостепенное значение.
С повышением температуры вязкость многих жидкостей падает. Это объясняется тем, что кинетическая энергия каждой молекулы возрастает быстрее, чем потенциальная энергия взаимодействия между ними. Поэтому все смазки всегда стараются охладить, иначе это грозит простой утечкой через узлы
Относительная вязкость
В технических науках часто пользуются понятием относительной вязкости, под которой понимают отношение коэффициента динамической вязкости раствора к коэффициенту динамической вязкости чистого растворителя:

где μ — динамическая вязкость раствора;  — динамическая вязкость растворителя.

6. 
   Измерение вязкости вещества.
   

Приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. В вискозиметрах используются два разных принципа:
• скорость вытекания жидкости из малого отверстия или из капилляра;
• скорость падения шарика в вязкой жидкости.
Первый принцип основан на формуле Пуазейля, дающей зависимость между объемом жидкости, вытекающей из трубки радиусом R и длиной I:

где  и  - давление на торцах трубки; R - радиус трубки; I - длина; t - время вытекания.

Второй принцип измерения вязкости основан на измерении скорости падения шара в вязкой среде (формула Стокса):

где  -скорость падения шара в жидкости; ρ - плотность материала шара; ρ' - плотность жидкости; r - радиус шара.

Одним из широко используемых приборов для измерения вязкости является вискозиметр Энглера, в котором измеряется время вытекания 200 г. жидкости по сравнению со временем вытекания 200 г воды через то же отверстие. Вязкость измеряют в градусах Энглера, что соответствует отношению времени вытекания жидкости ко времени вытекания воды при тех же условиях. Соотношение между Пуазами и градусами Энглера дается формулой:

где р - плотность жидкости в г/см3.

Вязкость, обозначенная в формуле и определенная через силу сопротивления движению — динамическая вязкость.

Ударная вязкость, определяемая, как работа для излома твердого тела, отнесенная к единице поперечного сечения излома, рассчитывается по формуле:

Обратная вязкости величина называется текучестью:

Вискозиметр — прибор для определения динамической или кинематической вязкости вещества. В системе единиц СГС и в СИ динамическая вязкость измеряется соответственно в пуазах (П) и паскаль-секундах (Па·с), кинематическая — соответственно в стоксах (Ст) и квадратных метрах на секунду (м²/с).

Вискозиметры бывают: капиллярными, ротационными, с падающим шариком и других типов.Капиллярные вискозиметры. Принцип действия основан на подсчёте времени протекания заданного объёма жидкости через узкое отверстие или трубку, при заданной разнице давлений. Чаще всего жидкость из резервуара вытекает под действием собственного веса, в таком случае вязкость пропорциональна разнице давлений между жидкостью, вытекающей из капилляра и жидкостью на том же уровне, вытекающей из очень толстой трубки. Если течение жидкости в приборе осуществляется только под действием тяжести (например, в вискозиметре Уббелоде), то при работе капиллярного вискозиметра определяется кинематическая (не динамическая) вязкость. С помощью капиллярного вискозиметра измеряются вязкости от 10 мкПа∙с(газы) до 10 кПа∙с. Используют вискозиметры по ASTM D 445(ГОСТ 33).
Ротационные вискозиметры
Два тела вращения, одинаковых или разных, совмещаются по осям так, что одно из них прикасается изнутри к другому (примером может послужить сфера, вписанная в конус). Пространство между телами заполняют исследуемым веществом, и к одному из тел подаётся крутящий момент, тело начинает вращаться с угловой скоростью, зависящей от вязкости вещества (у вискозиметров, как правило, стабилизируется скорость вращения и измеряется крутящий момент). Диапазон работы стандартных вискозиметров простирается от 1 мПа·с до сотен тысяч Па·с. Такой широкий диапазон измерений достижим за счёт изменения скорости вращения шпинделя от 0,01 оборота в минуту до 100, а также за счёт использования шпинделей разных размеров при разных диапазонах вязкости.



Рис 3. Капиллярный вискозиметр. 1 — измерит. резервуар; 2 — капилляр; 3 — приёмный сосуд; M1 и М2 — метки, служащие для измерения времени истечения жидкости из измерит. резервуара.

Вискозиметр с движущимся шариком

Вискозиметр основан на законе Стокса. Вязкость определяется по времени прохождения шариком некоего расстояния, чаще всего под воздействием его собственного веса. Наиболее известен вискозиметр Гепплера.
Вискозиметр с вибрирующим зондом
Основан на изменении резонансной частоты колебаний в жидкости различной вязкости. Так как частота будет зависеть и от плотности измеряемой жидкости, некоторые модели позволяют определять эту плотность независимо от вязкости, тогда как другие используют заданное известное значение плотности.
Вискозиметр пузырькового типа
Основан на определении параметров движения пузырька газа, свободно всплывающего в вязкой среде.
Вискозиметры Брукфильда подразделяются на три основных типа: аналоговые (с круговой шкалой), цифровые и программируемые. Основное различие между ними заключается в способе отображения результатов. У аналоговых вискозиметров результат считывается по указателю на круговой шкале, а у цифровых выводится на двухстрочный жидкокристаллический дисплей. Кроме того, цифровые вискозиметры оборудованы аналоговым выходом 0-10 мВ, к которому можно подключить различные внешние устройства, такие как дисплей, контроллер или самописец.
Внутреннее устройство аналоговых и цифровых вискозиметров практически одинаково и также одинакова методика использования. Оба типа представлены одинаковым рядом моделей, могут работать с одинаковыми аксессуарами и в целом взаимозаменяемы (одинаковые модели).
Аналоговые вискозиметры самые дешевые. Они идеально подходят для применений, где надо быстро измерить вязкость, но нет необходимости в постоянной записи или в измерении реологических характеристик. Хотя вискозиметр может работать непрерывно, снимать показания можно только дискретно, когда указатель проходит под смотровым стеклом или когда указатель зафиксирован и вискозиметр остановлен.
Длительные измерения требуют постоянного внимания оператора, кроме того, быстро протекающие процессы легче зафиксировать при постоянном мониторинге. В таких ситуациях лучше использовать цифровые вискозиметры, которые непрерывно измеряют и показывают вязкость. Такие приборы можно оставить без наблюдения, а возможность настроить частоту записи показаний (модель DV-II+) позволяет зарегистрировать самые быстрые реологические процессы. Некоторые пользователи предпочитаю цифровые вискозиметры, поскольку с ними отпадает необходимость интерполяции данных, чего иногда невозможно избежать при работе с аналоговым оборудованием. Точность измерения для обоих типов одинакова.
Цифровые вискозиметры (за исключением модели DV-E) можно также использовать с геометрией конус/плита.
Стандартные модели вискозиметров имеют множество модификаций, например модели с промежуточным крутящим моментом пружины. Чтобы подобрать модель, оптимальную для Ваших задач, лучше всего получить консультацию у местного представителя Брукфильда.
Некоторые модели разработаны специально для специфических применений и не совместимы с традиционными вискозиметрами. Так модель KU-1 позволяет измерять вязкость в единицах Кребса и предназначена для лакокрасочной индустрии. Модель САР-1000 позволяет работать с очень высокими скоростями сдвига (10000, 12000 с-1) при исследовании смол, полимеров и красок.
Весьма существенным преимуществом реометра DV-III+ является возможность двусторонней связи с персональным компьютером. Это позволяет легко программировать и управлять сложными процедурами измерения. Также можно сохранять все результаты и, при необходимости, преобразовывать их в формат Excel или другого табличного процессора. Можно получить результаты в виде графиков, что особенно полезно при интерпретации кривой течения. Графики испытания разных образцов можно сравнивать, накладывая друг на друга.
Реометр R/S отличается от других моделей тем, что контролируемым параметром является не скорость вращения шпинделя, а напряжение сдвига. Среди других преимуществ этого подхода можно выделить широкий диапазон измеряемой вязкости, возможность измерения предела текучести и возможность работы с высоковязкими гелями. Как DV-III+, так и R/S позволяют получить детальную информацию о поведении материалов и могут работать независимо или под управлением персонального компьютера.
Реометр САР-2000 с системой конус/плита обеспечивает широкий диапазон скоростей сдвига. Он специально сконструирован для использования в тяжелых заводских условиях и может работать независимо или под управлением персонального компьютера.
Реометр PVS обеспечивает измерение под давлением и обычно используется для исследования буровых растворов и флюидов для разрыва пласта в нефтегазовой индустрии.
Относительно новый реометр YR-1 является недорогим решением для измерения предела текучести в целях контроля качества.

7. 
   Условия измерений
   

1. нормальные условия измерений;

Условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости.
Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативных документах на средства измерений конкретного типа или по их поверке (калибровке)
2. нормальное значение влияющей величины;
Значение влияющей величины, установленное в качестве номинального.
Примечание - При измерении многих величин нормируется нормальное значение температуры 20 °С или 293 К, а в других случаях нормируется 296 К (23°С). На нормальное значение, к которому приводятся результаты многих измерений, выполненные в разных условиях, обычно рассчитана основная погрешность средств измерений
3. нормальная область значений влияющей величины;
Область значений влияющей величины, в пределах которой изменением результата измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности.
Пример - Нормальная область значений температуры при поверке нормальных элементов класса точности 0,005 в термостате не должна изменяться более чем на ±0,05 °С от установленной температуры 20 °С, т.е. быть в диапазоне от 19,95 до 20,05 °С
4. рабочая область значений влияющей величины;
Область значений влияющей величины, в пределах которой нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний средства измерений
5 рабочие условия измерений
Условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.
6 рабочее пространство
Часть пространства (окружающего средство измерений и объект измерений), в котором нормальная область значений влияющих величин находится в установленных пределах
7 предельные условия измерений;
Условия измерений, характеризуемые экстремальными значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измерений может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик
Заключение

Измерение физических параметров вещества, в том числе, вязкости и плотности, является важной задачей, которая будет постоянно стоять перед химиком-технологом. Необходимо не только подобрать подходящий инструмент и правильно им воспользоваться, но и верно определить диапазон измерений, а также, следить за тем, чтобы эти свойства не изменялись на самых сложных участках технологической схемы, либо автоматически регулировались.

Список литературы

1. 
   Голубев И.Ф. Гнездилов Н.Е. Вязкость газовых смесей М.: Госкомстандарт, 1971. — 325 с.
   
2. 
   Коллоидная химия: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Поверхностные явления и дисперсные системы» («Коллоидная химия») для студентов ХТФ и ФТФ дневного и заочного форм обучения / Сост. Катюхин В.Е., Карбаинова С.Н. — Томск: Изд. ТПУ, 2004 — 24 с.
   
3. 
   Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Молекулярные механизмы вязкости жидкости и газа. Часть 1. Основные понятия Под ред. проф. В. Б. Нагаева. - М.: РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2005. - 59 с.
   
4. 
   Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа 7-е издание, Дрофа, 2003 г.
   
5. 
   Филатов Е.Ю., Ясинский Ф.Н. Математическое моделирование течений жидкостей и газов Учебное пособие.Ивановский государственный энергетический университет. Иваново, 2007.
   
6. 
   Тарасов А.В., Степанова И.В. Определение плотности жидкостей. Методические указания к лабораторной работе. 2006 Петербургский государственный университет путей сообщения
   
7. 
   Борисова Е.И., Круковский О.Н., Маркова А.В., Муратов О.В. Свойства жидкостей и газов Методические указания к курсовому проектированию. - Санкт-Петербург, СПбГТИ (ТУ), 2001. - 23 с.