Carl-Engler-Schule Karlsruhe Physik-Labor (BS/BK/FS) 1 (5)

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Fabian Hase
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1 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Physik-Labor (BS/BK/FS) 1 (5) Laborversuch: Viskosität 1. Grundlagen Die Viskosität ist eine Materialkenngröße. Sie beschreibt die Zähigkeit von Flüssigkeiten bzw. von Gasen und wird auch als innere Reibung beschrieben. Die dynamisch Viskosität η wird aus dem Strömungsverhalten des Stoffes abgeleitet. Die Einheit ist [η]=1pa*s. Wasser hat bei 20 C eine Viskosität von 1Pa*s. Zähere Stoffe besitzen größere Zahlenwerte der Viskosität. 2. Vorbereitung Dichtebestimmung mit dem Aräometer bzw. mit der Mohrschen Waage, Definiton und Einheiten der Viskosität, Messverfahren und Geräte zur Viskositätsbestimmung 3. Aufgaben 3.1 Dichtebestimmung mit der Mohrschen Waage Siehe Versuch Dichtebestimmung 3.2 Höppler-Viskosimeter Die dynamische Viskosität η einer Flüssigkeit ist innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs mit dem Höppler-Viskosimeter zu bestimmen Beschreibung Das Höppler-Viskosimeter besteht aus einem Glasrohr, das an einem Stativ drehbar um 10 gegen die Vertikale angebracht ist. Zu diesem Rohr gehört ein Satz von Kugeln mit verschiedenen Durchmessern und verschiedenen Dichten, die als Fallkörper dienen. Das Rohr ist zum Zwecke der Temperierung von einem Mantel umgeben. Viskositätsmessungen sind im Temperaturbereich von -20 C bis 120 C durchführbar Messung Die Fallzeit der verwendeten Kugel zwischen den im Glasrohr eingeätzten beiden etwa 100 mm voneinander entfernten Strichmarken ist zu messen. Durch Drehen des Messgefäßes um 180 lässt sich die Messung oft wiederholen Auswertung Jedem Viskosimeter ist eine Bedienungsanweisung, wie auch ein Prüfschein, beigegeben. Mit Hilfe des Prüfscheines kann die Viskosität aus der Fallzeit und einer für jede Kugel angegebenen Konstanten K errechnet werden Durchführung der Messung Fallrohr, Verschlußstopfen und Fallkugel sind vor Beginn der Messung sorgfältig zu reinigen. Der untere Verschlußstopfen mit Dichtung wird montiert. Das Fallrohr wird mit der entgasten Untersuchungsflüssigkeit erstmals bis 25 mm unter den oberen Rand gefüllt, wobei an der Rohrwand haftende Luftbläschen zu entfernen sind. Die für den vorgesehenen Messbereich geeignete Kugel wird mit der Kugelpinzette in das Fallrohr gebracht, auch an ihr dürfen keine Luftblasen sitzen. Der Verschlussstopfen wird nun auf das randvoll gefüllte Fallrohr montiert. Mit Hilfe der am Stativ vorhandenen Dosenlibelle wird das Viskosimeter justiert. Die Temperierung erfolg mit einem Umlaufthermostaten. Die eigentliche Messung erfolgt durch Ermittlung der Fallzeit der Kugel zwischen den Strichmarken mit der Stoppuhr. Es werden mehrere Messungen durchgeführt, aus denen die mittlere Fallzeit berechnet wird. Die für die Berechnung, benötigte Dichte der Versuchsflüssigkeit ist entweder mit dem Areometer oder mit der Mohrschen Waage zu bestimmen. viskositaet.odt Nov Seite 1 von 5

2 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Physik-Labor (BS/BK/FS) 2 (5) 3.3 Ubbelohde-Viskosimeter (Kapillarviskosimeter) Die kinematische Viskosität µ einer Flüssigkeit ist innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs mit dem Ubbelohde-Viskosimeter zu bestimmen Messprinzip Die Messung der Viskosität erfolgt nach dem Prinzip der Kapillarströmung. Hierbei wird die Zeit gemessen, die eine bestimmte Flüssigkeitsmenge zum Durchfließen einer Kapillare benötigt Aufgabe Bestimmen Sie die kinematische Viskosität ν gegebener Flüssigkeiten mit dem Ubbelodhe- Viskosimeter und ermitteln Sie daraus die dynamische Viskosität η Aufbau und Durchführung der Messung Das Ubbelodhe-Viskosimeter besteht aus drei Rohrteilen. Ein Rohr ist mit dem Vorratsgefäß mit Füllmarken und einem Niveaugefäß versehen. Das nächste besteht aus einer Kapillare, dem Messgefäß mit seinen Messmarken und einem Sicherheitsgefäß. Das dritte Rohr dient zum Ansaugen der Flüssigkeit in das Messgefäß. Die Kapillarviskosimeter können immer nur einen relativ kleinen Viskositätsbereich erfassen. Deshalb werden Viskosimeter mit verschiedenen Kapillaren (Viskositätsmessbereichen) hergestellt. Eine ausführliche Beschreibung ist der dem Versuch beiliegenden Bedienungsanleitung zu entnehmen. Die Auswahl des Kapillarviskosimeter richtet sich nach Viskosität und der erforderlichen Hagenbach- Korrektur (Unsicherheit der Zeitmessung). Dabei sind die entsprechenden Tabellen in der Bedienungsanleitung zu beachten. Das Einfüllen der Flüssigkeit erfolgt über das Rohr mit dem Vorratsgefäß. Dabei ist die maximale Füllmenge zu beachten. Nachdem die Flüssigkeit mit Hilfe eines Durchsicht-Thermostaten temperiert ist, wird die Flüssigkeit im Kapillarrohr über das Messgefäß hinaus hochgesaugt. Dabei wird das oben erwähnte dritte Rohr mit dem Finger kurzzeitig verschlossen. Das Rohr wird nun wieder freigegeben und es wird die Zeit gemessen, die die Flüssigkeit beim Durchfließen zwischen den beiden Messmarken benötigt. Es sind mindesten 5 Messungen auszuführen Auswertung Der Mittelwert der Durchfusszeiten ist muss korrigiert werden (Hagenbach-Korrektur). Der Zeitbetrag aus der Tabelle (Bedienungsanleitung) ist für die entsprechende Kapillare abzuziehen. Die kinematische Viskosität erhält man durch Multiplikation der korrigierten Durchflusszeit mit der auf dem Viskosimeter aufgebrachten Konstanten. Hinweis: ν = K * ( t - θ ) ν : kinematische Viskosität in mm 2 /s K : Konstante des Viskosimeters in mm 2 /s 2 t : Durchflusszeit in s θ : Hagenbach-Korrektur in s Die Rohre dürfen nicht gegeneinander durch Biegekräfte beansprucht werden!! Bruchgefahr!! unter 4. Sonstiges: Tabelle zu Kapillar-Daten Tabelle zur Hagenbach-Korrektur viskositaet.odt Nov Seite 2 von 5

3 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Physik-Labor (BS/BK/FS) 3 (5) 3.4 Kugelfall-Viskosimeter Bestimmen Sie die dynamische und die kinematische Viskosität einer Flüssigkeit mit Hilfe zweier Kugeln Beschreibung An der fallenden Kugel greifen drei Kräfte an, die Gewichtskraft F G, die Auftriebskraft F A und die Reibungskraft F R. Nach einiger Zeit des Fallens hat sich ein Kräftegleichgewicht eingestellt, bei dem die Kugel nicht weiter beschleunigt wird. Sie fällt dann mit konstanter Geschwindigkeit. Aus dem Radius r der Kugel, der Länge l der Fallstrecke, der Fallzeit t und den Dichten von Kugel ρ K und Flüssigkeit ρ F, sowie der Erdbeschleunigung g, lässt sich die Viskosität η berechnen. Zu beachten ist, dass die Viskosität von der Temperatur abhängig ist Durchführung und Auswertung Die Dichte der Flüssigkeit wird mit dem Areometer gemessen. Die Dichte der Stahlkugeln beträgt ρ K = 7,852 g/cm 3 (bei 20 C). Der Durchmesser der Kugel wird 5-mal mit der Mikrometerschraube gemessen und für die Rechnung davon der Mittelwert verwendet. Messen Sie 5-mal die Fallzeit für jede Kugel zwischen den Messmarken 1 und 2 (Fallstrecke). Überprüfen Sie regelmäßig die Temperatur und erstellen Sie bei Temperaturänderung ein Viskositäts-Temperatur-Diagramm für jede Kugel. Formeln: F G = F A + F R 4 3 r 3 K g= 4 3 r 3 F g 6 r v Lösen Sie dazu die obige Formel nach η auf (griech. Buchstabe eta entspricht unserem h) Vergleichen Sie die ermittelte Viskosität der Versuchsflüssigkeit mit dem Literaturwert! Berechnen Sie auch die kinematische Viskosität ν mit ν=η/ρ Hinweise: Das Kugelfallviskosimeter muss senkrecht stehen! Die Kugel wird mit einer Pinzette in der Mitte auf die Flüssigkeit des Kugelfallviskosimeters gegeben! Vermeiden Sie die Störung des Kugelfalls durch Luftblasen! Verwendete Geräte: - Stativ mit Fallrohr - Maßstab - Stoppuhr - Aräometer - Thermometer - Kugeln verschiedener Größe - Pinzette - Magnet viskositaet.odt Nov Seite 3 von 5

4 Carl-Engler-Schule Karlsruhe Physik-Labor (BS/BK/FS) 4 (5) 4. Sonstiges Tabelle zu Kapillardaten Tabelle zur Hagenbach-Korrektur viskositaet.odt Nov Seite 4 von 5

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