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        乙醇溶液的粘滯系數(shù)與濃度關系的實驗研究

        2021-01-15 08:18:32劉竹琴
        延安大學學報(自然科學版) 2020年4期
        關鍵詞:乙醇溶液液面刻度

        劉竹琴,李 偉

        (延安大學物理與電子信息學院,陜西延安716000)

        乙醇(ethanol)是一種有機化合物,俗稱酒精,它在常溫常壓下是一種易燃、易揮發(fā)的無色透明液體,能與水以任意比互溶,在能源化工、醫(yī)療衛(wèi)生、食品工業(yè)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都有廣泛的用途。

        粘滯系數(shù)(coefficient of viscosity)又稱為內(nèi)摩擦系數(shù)或粘度,是描述液體內(nèi)摩擦力性質(zhì)的一個重要物理量。液體都有不同的粘滯系數(shù),有的液體粘滯系數(shù)較大,如甘油、重油等,有的液體粘度系數(shù)相對較小,如水、乙醇、苯等。目前大多是研究乙醇的粘滯系數(shù)與溫度的關系,對乙醇溶液的粘滯系數(shù)與濃度關系的研究卻相對較少,然而這種研究具有重要意義。研究和測定不同濃度乙醇溶液的粘滯系數(shù),不僅在化學工業(yè)研究方面,而且在醫(yī)學生物技術(shù)以及其他領域均有重要的作用。

        1 實驗原理

        當實際液體在半徑為R的水平圓管中做層流運動時,其體積流量Q與管兩端的壓強差△P,管的半徑R,長度L,以及液體的粘滯系數(shù)η有以下關系[1]:

        (1)

        在t時間內(nèi)流經(jīng)水平圓管內(nèi)任一截面的體積為V=Qt,當液體在豎直放置的毛細管中其液面的高度差為H時,液體壓強差為△P=ρgH,由此可得:

        (2)

        在實際測量中,毛細管的半徑R、長度L和玻璃管的體積V都很難直接測量準確,兩管中液面的高度差H又隨時根據(jù)液體下落時間的改變而改變,而采用對比測量法可以較好解決這些問題。

        對比測量法,就是把兩種密度不同的液體(密度分別為ρ1、ρ2),取相同的體積,分別測出這兩種液體的液面從奧氏粘度計(如圖1)a刻度線下落到b刻度線的時間,記為t1和t2,可以得出:

        (3)

        由于R、L、V都是定值,從測量開始到測量結(jié)束時兩管中的液面的高度差H也相同,所以將兩式相比可得:

        (4)

        所以當已知第一種液體的密度ρ1、粘滯系數(shù)η1、下落時間t1和第二種液體的密度ρ2、下落時間t2,便可以通過對比測量法求得待測液體的粘滯系數(shù)η2。

        2 實驗儀器與方法

        2.1 實驗儀器

        實驗用到的儀器是FD-LSM-A毛細管法液體粘滯系數(shù)測試實驗儀,其核心是奧氏粘度計,如圖1所示。它是帶有兩個球泡的U型管,使體積相等的兩種不同液體分別流過U型管上端玻璃泡下的同一毛細管B,由于兩種液體的粘滯系數(shù)不同,流完的時間就不同。即使同一種液體如果濃度不同其粘滯系數(shù)也會不同,流完的時間就會不同。

        測定時,一般都是用蒸餾水作為標準液體。先將一定量的水注入底端的玻璃泡內(nèi),然后用洗耳球吸入上端的玻璃泡中,并使水面達到上端a刻度線以上。由于重力作用,水經(jīng)毛細管流入底端的玻璃泡,當水面從上端a刻度線降到下端b刻度線時,記下其間經(jīng)歷的時間,然后在玻璃泡內(nèi)換以相同體積的待測液體,用相同的方法測出相應的時間,通過對比測量法可求得待測液體的粘滯系數(shù)[2]。

        2.2 實驗方法

        (1)配置濃度為10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、90%、100%的乙醇溶液,每組100 mL待用;

        (2)清洗并調(diào)節(jié)奧氏粘度計,使其保持豎直;

        (3)將10 mL待測濃度的乙醇溶液注入奧氏粘度計底端的玻璃泡內(nèi)洗滌儀器,用洗耳球?qū)⒁后w從大玻璃泡吸入小玻璃泡,并超過上端a刻度線,再將乙醇溶液擠回大玻璃泡中,重復以上步驟2~3次,將乙醇溶液倒入廢液缸中;

        (4)用量筒量取8 mL待測濃度溶液,注入奧氏粘度計大玻璃泡中,再用洗耳球?qū)⒁掖既芤何胄〔A輧?nèi)直至超過玻璃泡上端a刻度線,拔出洗耳球使乙醇溶液自由下降直至到達下端b刻度線,用秒表測量8 mL該溶液液面從a刻度線到b刻度線的下落時間t2,并重復測量3次;

        (5)對配置好的17種不同濃度的乙醇溶液,分別重復步驟(3)和(4);

        (6)用量筒量取8 mL的蒸餾水,按照步驟(3)和(4)測量蒸餾水的下落時間,記為t1。

        3 數(shù)據(jù)記錄和處理

        3.1 數(shù)據(jù)記錄

        表1 不同濃度乙醇溶液下落時間平均值計算結(jié)果表(室溫22.0℃)

        3.2 數(shù)據(jù)處理

        利用靜力稱衡法[3]測量不同濃度乙醇溶液的密度ρ2,結(jié)果見表2。將表1數(shù)據(jù)和相應的密度代入公式(4)計算得出不同濃度乙醇溶液的粘滯系數(shù)η2,計算結(jié)果見表2。

        表2 不同濃度乙醇溶液的密度ρ2與粘滯系數(shù)η2的計算結(jié)果表

        (續(xù)表2)

        根據(jù)表2用excel軟件進行二次函數(shù)曲線擬合,擬合曲線如圖2。

        從而得出乙醇溶液粘滯系數(shù)與濃度關系的擬合方程為:

        η=-0.0060C2+0.6506C+6.6796,

        相關系數(shù)r2=0.9751,此屬強相關,故所得擬合曲線可以較好地反應實驗結(jié)果。

        從圖2的曲線中可以看出,乙醇溶液的粘滯系數(shù)先隨乙醇溶液的濃度增大而增大,到達一定值后,將隨著乙醇溶液的濃度增大而減小。這一結(jié)論與其它液體(如甘油的水溶液)液粘系數(shù)變化規(guī)律顯然不同[4]。由于目前實踐中對乙醇溶液的粘滯系數(shù)與濃度關系的相關研究較少,故本文對今后的相關研究具有參考價值,實驗結(jié)果對不同濃度乙醇在儲存運輸、化學工業(yè)、醫(yī)學生物科學以及其他領域應用中都具有一定的參考意義。

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