Розділ ііі. Експериментальне дослідження густини, в’язкості і швидкості поширення звуку.

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

3.1. Характеристика об’єкту дослідження.

Фізичні властивості поліметилсилоксанових рідин безпосередньо пов’язані з особливостями будови молекул полімеру. Мала величина міжмолекулярних сил зумовлює порівняно з вуглеводнями близької молекулярної маси низьку температуру кипіння, малу в’язкість і теплоту випаровування.

Поліметилсилоксанові рідини (ПМСР) - полімери лінійної структури, будова яких відповідає формулі

Індекс n характеризує довжину відповідних полімерних ланцюгів (число мономерів у молекулі і, таким чином, визначають молекулярну масу). Як правило, чим більше n , тим менш легка рідина, вища температура застигання, більша в’язкість.

Для кремнійорганічних рідин характерна легкість обертання групи

,

відносно зв’язку кремній-кисень, у зв’язку з чим опір розкручуванню у силоксанових ланцюгів менший, ніж у жорстких вуглеводневих ланцюгів, навіть при низьких температурах.

Таким чином, підвищення температури полісилоксанових рідин не приводить до помітного зменшення їх в’язкості, у той час як жорсткість вуглеводневих ланцюгів при нагріванні різко падає, чим пояснюється значне зниження в’язкості останніх при підвищенні температури. При заміні метильного радикалу на водень температурний коефіцієнт в’язкості полісилоксану зменшується, навпаки, введення етильних чи фенольних радикалів підвищує жорсткість ланцюгів, що веде до збільшення температурного коефіцієнта в’язкості.

Молекулярна маса полімера для кожного типу поліорганосилоксанових рідин визначає їх основні фізичні властивості: густину, в’язкість, температуру кипіння та ін. Молекулярна маса поліметилсилоксанових рідин середньої в’язкості лежить у межах 3000 - 30000 . Густина для більшості поліорганосилоксанових рідин дорівнює 0,94 – 0,98, і лише для полімерів, які містять фенольні чи галоїдні радикали, густина перевищує 1,0 але не більше 1,2 – 1,4.

Температура кипіння і леткість поліметилсилоксанових рідин залежать від їх в’язкості. Лише дуже низькомолекулярні рідини киплять при атмосферному тиску. Рідини із в’язкістю при 20 с, що перевищує 10,0 Па с, киплять при тиску 1 – 3Па, при температурах вище 250 – 300 с.

При горінні поліорганосилоксанових рідин виділяються густі, подразнюючі дихальні шляхи гази, які містять найдрібніші частинки двоокису кремнію, а також вуглекислий газ, водяні пари. При неповному згорянні поліорганосилоксанових рідин серед газоподібних продуктів можуть міститися формальдегід, мурашина кислота, а також легко киплячі полімери низької молекулярної маси. Одночасно утворюється желеподібний залишок високомолекулярного полімера.

Поверхневий натяг поліметилсилоксанових рідин складає від 16Н/м при в’язкості 0,65Па с до 21 Н/м при в’язкості 50 Па с і вище. При заміщенні метильних радикалів на фенольні чи інші величина поверхневого натягу деяких поліорганосилоксанових рідин зростає до 24 – 25 Н/м (у нафтових електроізоляційних масел 40Н/м ).

Ця особливість поліорганосилоксанових рідин визначає їх здатність повзти по металічниx поверхняx і проникати через стики у з’єднаннях, що створює ряд проблем, пов’язаних з герметизацією апаратів, у яких такі рідини застосовуються. З іншого боку, низький поверхневий натяг сприяє доброму поглинанню поліорганосилоксанових рідин пористими матеріалами, які звичайно застосовуються у якості твердої ізоляції (целюлозний папір, картон та інші) у електричних апаратах.

Підвищена термостійкість поліорганосилоксанових рідин зумовлює можливість їх застосування у електричних апаратах у поєднанні з твердими ізоляційними матеріалами підвищеної нагрівостійкості.

Поліметилсилоксанові рідини розчинні у легких вуглеводневих рідинах, галоїдованих вуглеводнях, вищих спиртах, ефірах, кетонах; частково розчинні у залежності від в’язкості у ацетоні, бутанолі, легких нафтових маслах; не змішуються з важкими нафтовими маслами, петролатумом, важкими галоїдованими вуглеводнями, легкими спиртами (етанол, метанол), ефірами, жирними кислотами.

Під дією електричної дуги відбувається розклад поліоргано-силоксанових рідин з виділенням газу, в основному водню, а також твердих продуктів: двоокису кремнію, карбіду кремнію і карбону. У результаті величина пробивної напруги поліорганосилоксанових рідин після декількох послідовних пробоїв у ньому різко падає, причому тим більше, чим вища в’язкість рідини. Ця особливість поліорганосилоксанових рідин обмежує можливість їх застосування у вимикачах і контакторах.

До основних переваг електроізоляційних поліорганосилоксанових рідин варто віднести низьке значення в’язкості при від’ємних температурах, задовільні діелектричні показники, значення яких мало змінюються у широкому діапазоні температур і частот, а також відносно високу термічну і протиокислювальну стабільність.

Істотним недоліком більшості поліорганосилоксанових рідин є їх горючість.

3.2. Результат вимірювання густини і кінематичної

в’язкості ПМС-400.

Реологічні властивості ПМС-400 були досліджені у температурному діапазоні 293 – 373 К . Густина вимірювалася двоколінним пікнометром з похибкою 0,05%. Віскозиметрія проводилася за допомогою капілярного віскозиметра з похибкою не більше 2%. Термостатування проводилося не менше години, при цьому похибка становила 0,5К. Методики вимірювань описані в другому розділі.

Результати дослідження температурної залежності густини ( ), кінематичної (v), зсувної ( в’язкостей, представлені у таблиці 2, причому зсувна в’язкість розраховувалася за формулою = v .

На рис. 6 показано температурну залежність густини ПМС-400, яка носить спадний лінійний характер. На рис. 7 відображена залежність зсувної в’язкості від температури для поліметилсилоксану-400.

Таблиця 2

Т, К	ρ, кг/м³	𝜈• м/с	η , Па•с	С, м/с	• ,
293	975,3	395,3	0,3855	1016	99,32
303	966,7	334,1	0,3229	991	105,33
313	957,8	277,9	0,2662	963	112,58
323	949.4	238,2	0,2261	937,4	119,87
333	940.3	201,8	0,1897	913	127,58
343	931,6	174,3	0,1624	894	134,30
353	923,0	148,9	0,1375	865	144,80
363	914,3	131,2	0,1199	839,4	155,23
373	905,7	110,3	0,0998	818	165,01

Рис. 6 Температурна залежність густини ПМС-400

Коефіцієнт зсувної в’язкості визначає ступінь деформації молекулярної структури, а саме: характеризує дотичну дисипативну напругу, що виникає при ковзанні шарів рідини один відносно одного. Залежність від складу рідини та зовнішніх умов (тиск, температура, концентрація) робить цю фізичну величину структурно-чутливою.

Рис. 7 Температурна залежність зсувної в’язкості ПМС-100

Процеси, що протікають при зсувних деформаціях в рідинних системах, можна розглядати як мономолекулярні реакції розриву і утворення міжмолекулярних зв’язків між фрагментами динамічної макросистеми, що представляє собою зразок будь-якої рідини.

3.3 Розрахунки активаційних параметрів в’язкої течії за

Теорією Я.І. Френкеля.

Ще до того як рентгенографічний аналіз рідин встановив подібність між ними і твердими тілами по відношення до розміщення частинок, що їх утворюють, Я.І. Френкелем було вказано на існування подібної схожості по відношенню до теплового руху цих частинок. На основі цих уявлень ним було теоретично виведено залежність в’язкості рідини від температури. Ця подібність виявляється перш за все при порівнянні теплоємності рідини і відповідних твердих тіл. Поблизу температури плавлення ці теплоємності виявляються приблизно однаковими, у рідин вони звичайно на декілька відсотків більші. Ця обставина свідчить про те, що у рідин, так само як у твердих тілах, тепловий рух при температурах близьких до температури кристалізації, зводиться в основному до коливального руху частинок біля деяких положень рівноваги. Щоб поєднати це уявлення з текучістю рідин, необхідно припустити, що положення рівноваги, про які йде мова, не є незмінними, але можуть стрибкоподібно зміщуватись на невелику відстань. Середній час, протягом якого частинка коливається біля одного і того ж положення рівноваги може змінюватись в досить широких межах, залежно від температури, згідно формули

= (36),

де - період коливань, U - енергія, яку необхідно надати частинці, що перебуває в стані спокою, для переходу через потенціальний бар’єр, що відділяє положення рівноваги від сусіднього.

Ця формула Френкелем була виведена для тривалості перебування атома в адсорбованому стані на поверхні, з якою його пов’язує енергія адсорбції.

Основні розрахункові формули для розрахунку активаційних параметрів в’язкої течії наведені нижче.

Згідно теорії в’язкості Френкеля:

=A (37).

Прологарифмувавши праву і ліву частину, маємо:

ln= = (38).

Знаючи два значення зсувної в’язкості та температури, запишемо:

ln - ln = ( - ) (39).

Тоді коефіцієнт В, який відіграє роль енергії активації в’язкої течії, розрахуємо так:

B= Rln (40).

Або, що те ж саме

B= = (41).

Коефіцієнт A розрахуємо наступним чином:

A= (42).

Хід розрахунків поданий у таблиці 2. Тоді середні значення шуканих коефіцієнтів:

= =15503,136

= =0,0152

Таблиця 3

293	975,3	0,896	0,868	7,0491	0,2079	0,003411	0,000112	1856,25	6,3321	562,3362	0,01543
303	966,7	0,734	0,705	7,2570		0,003299			6,1232	456,3226	0,01545
313	957,8	0,619	0,589	7,4371	0,1824	0,003193	0,000098	1861,22	5,9435	381,2670	0,01544
323	949,4	0,520	0,491	7,6195		0,003095			5,7596	317,2214	0,01547
333	940,3	0,440	0,411	7,7962	0,1654	0,003002	0,000088	1879,55	5,6418	281,9698	0,01458
343	931,6	0,376	0,349	7,9616		0,002914			5,4773	239,2000	0,01457
353	923,0	0,329	0,302	8,1051	0,1455	0,002832	0,000078	1865,38	5,2821	196,7827	0,01534
363	914,3	0,287	0,261	8,2506		0,002754			5,1367	170,1533	0,01534

ВИСНОВКИ

Теорія в’язкості рідини і зокрема її залежності від температури становить великий інтерес для теорії конденсованого стану речовини, однак до цього часу цю задачу не можна вважати повністю розв’язаною, не дивлячись на те, що за останній час було запропоновано кілька різних теорій. Згідно теорії Андраде в’язкість обумовлюється тимчасовим об’єднанням молекул рідини в невеликі агрегати кристалічного характеру, що неперервно руйнуються і створюються знову. Подібними припущеннями користувався ще раніше Я.І. Френкель, працюючи над теорією в’язкості рідини.

Для досягнення поставленої мети і виконання сформульованих завдань курсової роботи у першому розділі були описані деякі сучасні теорії в’язкості: теорії О.І. Бачинського, Я.І. Френкеля, Г. Ейрінга, О.С. Предводителєва тощо.

У другому розділі розглянуто методи вимірювання в’язкості та густини: капілярний метод вимірювання в’язкості та пікнометричний метод вимірювання густини. Розраховані відносні похибки експериментальних досліджень. Проведені вимірювання густини і кінематичної в’язкості ПМС-400 в інтервалі температур 293 – 373 K.

Розглянуто фізико-хімічні властивості та сфери практичного використання кремнійорганічних рідин. У третьому розділі наведені експериментальні вимірювання кінематичної та зсувної в’язкості та густини ПМС-400, на основі яких було розраховано активаційні параметри в’язкої течії за теорією Френкеля і побудовано графіки температурної залежності густини, кінематичної та зсувної в’язкості ПМС-400. Досліджено можливість застосування формули Френкеля для опису температурної залежності зсувної в’язкості поліметилсилоксану-400.

РЕЗЮМЕ

В даній дипломній роботі «Ультразвукове дослідження стисливості кремній – органічних з’єднань» розглянуто і описано основні методи дослідження полімерів та зміни їх термодинамічних властивостей. Для дослідження було обрано поліметилсилоксан, оскільки він є в’язким рідким полімером, який відноситься до кремній – органічних сполук, для яких характерно виражена хімічна інертність і висока температурна стійкість.

Визначено температурні коефіцієнти в’язкості, густини та швидкості поширення звуку.

За даними вимірювань розраховано залежність кінетичної в’язкості, густини та швидкості поширення звуку від температури в інтервалі температур 293 – 373 К.

Дані виміри дають можливість детальніше пізнати структуру рідини і знайти нові сфери їх застосування.

Summary

In this graduate work, which name is "Ultrasonic research (of) compressibility of silicon-organic compounds" was considered and described the main investigation methods of polymers and changes in their thermodynamic properties. Polymethilsiloxan was chosen for investigation, because it is a viscous liquid polymer, which refers to silicon-organic compounds, which is characterized by severe chemical inertness and high temperature resistance.

Was determined the temperature coefficient of viscosity, density and speed of sound.

According to measurements was calculated dependence of the kinetic viscosity, density and speed of sound on temperature in the temperature range 293 - 373 K.

These measurements make it possible to know more fluid structure and find new areas of application.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Рейнер М. Реология. Пер. с англ. М.: Наука, 1965. — 224с.

2. Шульман 3. П. Беседы о реофизике. Минск: Наука и техника, 1976. — 96с.

3. Виноградов Г. В. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. — 440c.

4. Барр Г. Вискозиметрия/ Г. Барр. - Л.-М.: Гл. ред. химической лит-ры, 1938. - 274с.

5. Шебалин О.Д. Молекулярная физика: Учеб. пособие для пединститутов/ О.Д. Шебалин. - М.: Высш. школа, 1978. - 166с.

6. Телеснин Р.В. Молекулярная физика: Учеб. пособие для университетов/ Р.В. Телеснин. - М.: Высш. школа, 1973. - 360с.

7. Дутчак Я.Й. Молекулярна фізика/ Ярослав Йосипович Дутчак. - Львів: Видавництво Львівського університету, 1973.- 262с.

8. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. пособие для физ. спец. вузов/ А.Н. Матвеев. - М.: Высш. школа, 1987. - 392с.

9. Савельев И.В. Курс общей физики: Механика. Молекулярная физика/ И.В. Савельев. - М.: Наука, 1987. - 348с.

10. Штрауф Е.А. Молекулярная физика/ Е.А. Штрауф. - Л.-М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. - 256с.

11. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей/ Я.И. Френкель. - Л.: Наука, 1975. - 600с.

12. Рид Р. Свойства газов и жидкостей/ Р. Рид, Т. Шервуд. - Л.: Химия, 1971. 624с.

13. Рейнер М. Реология/ М. Рейнер. - М.: Наука, 1965. - 224с.

14. Тагер А.А. Физикохимия полимеров.- М.: Химия, 1978.- 544с.

15. Перепечко И.И. Введение в физику полимеров.- М.: Химия, 1978.- 310с.

16. Бартеньев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров.- М.: Высшая школа, 1983.- 391с.

17. Липатов Ю.С. Физическая химия наполненных полимеров.- М.: Химия, 1977.- 304с.

18. Кулезнёв В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров.- М.: Высшая школа, 1988.- 312с.

19. Черенков А.В. Теплофизические и механические свойства пентапласта.- Луганск-Киев: ЛГПИ, 1996.- 181с.

20. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров.- М. Химия, 1976.- 216с.

21. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физико-химии полимеров.- Л.: Химия, 1982.- 280с.

22. Займан Дж. Модели беспорядка.- М.: Мир, 1982.- 591с.

23. Волькенштейн М.В., Птицын О.Б. // Журн. тех. физ.- 1956.- Т. 26, № 10.- С. 2204.

24. Готлиб Ю.Я., Птицын О.Б. // Физ. тв. тела.- 1961.- Т. 3, № 11.- С. 3383.

25. Френкель Я.И. Собр. науч. тр. Т. 3. Кинетическая теория жидкостей.- М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1959.- 460с.

26. Барр Г. Вискозиметрия/ Г. Барр. - Л.-М.: Гл. ред. химической лит-ры, 1938. - 274с.

27. Шебалин О.Д. Молекулярная физика: Учеб. пособие для пединститутов/ О.Д. Шебалин. - М.: Высш. школа, 1978. - 166с.

28. Телеснин Р.В. Молекулярная физика: Учеб. пособие для университетов/ Р.В. Телеснин. - М.: Высш. школа, 1973. - 360с.

29. Дутчак Я.Й. Молекулярна фізика/ Ярослав Йосипович Дутчак. - Львів: Видавництво Львівського університету, 1973.- 262с.

30. Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. пособие для физ. спец. вузов/ А.Н. Матвеев. - М.: Высш. школа, 1987. - 392с.

31. Савельев И.В. Курс общей физики: Механика. Молекулярная физика/ И.В. Савельев. - М.: Наука, 1987. - 348с.

32. Штрауф Е.А. Молекулярная физика/ Е.А. Штрауф. - Л.-М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1949. - 256с.

33. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей/ Я.И. Френкель. - Л.: Наука, 1975. - 600с.

34. Рид Р. Свойства газов и жидкостей/ Р. Рид, Т. Шервуд. - Л.: Химия, 1971. 624с.

35. Рейнер М. Реология/ М. Рейнер. - М.: Наука, 1965. - 224с.