一、實驗目的

(1)

流體黏度實驗

授課教師：侯順雄崑山科技大學

機械工程系熱工實驗室

(2)

一、實驗目的

應用毛細管法以奧士華黏度計量測未知流體在某一溫度下的黏度，只需測量流體流過一固定距離之時間即可求出運動黏度 (Kinematic viscosity)。

熟悉奧士華黏度計的構造及操作方法，

並瞭解黏度定義。

(3)

二、使用儀器設備

流體黏度機

(1)設備本體-流體黏度機(Koehler Model KV3000) 依據ASTM D455，D2170及相關規範。

石蠟油碼錶溫度控制

開關

(4)

(2)毛細管式黏度管

黏度管代號

25

50

75 100 150 200 300

常數 (cst/s)

(x10

^-3

)

1.961

3.888

7.32 15.76 33.47 101 236.1

(5)

試管型號25之毛細管式黏度管

試管型號50之毛細管式黏度管

(2)毛細管式黏度管

(6)

(3)設備之附件-燒杯、針筒、吸管、吸球管

(4)設備之附件-抹布、衛生紙、異丙醇、魔術靈

(7)

三、原理



在所有的流體性質中，黏度為研究流體流動時，最先考慮的項目。



我們將討論黏度的自然現象、特性、

因次及絕對黏度（absolute Viscosity）

與運動黏度（kinematic viscosity）等。

(8)



黏度（viscosity）為潤滑油類相當重要的一種性質，其為流體流動時應變與切應力之一種比例常數。

一般而言，物質的黏度與流體間的凝聚力和分子間的動量轉移率有關。液體分子與分子間距離較小，因此流體層間的凝聚力是造成液體黏度的主因，溫度升高時，流體層間的凝聚力減小，因此液體的黏度隨溫度增加而減少。

(9)



氣體分子與分子間距離遠較液體分子間距離為大，因此流體分子間的動量轉移率為造成氣體黏度的主因。溫度升高時，

流體分子運動速率加快，動量轉移率增加，

因此氣體的黏度隨溫度增加而增加。



至於壓力而言，在一般壓力下，流體的黏度與壓力無關，只與溫度有關。但在非常大的壓力下，流體的黏度大部份隨壓力而變化無常。

(10)



潤滑油之油膜強度與黏度大小呈正比例，粘度越大其油膜韌性越高。因此一般機械在取決於使用油料時，黏度將為其主要的考慮因素。

(11)

設毛細管長為L公分，半徑為r公分，毛細管兩端的壓力差為ΔP達因/平方公分，於t秒間內流體流經毛細管的體積為V立方公分時，則此液體黏度係數，依據Poiseuille^，s Law：

(1)

式(1)中毛細管兩端的壓力差ΔP=ρgh，將之帶

入得：

(2)

Pr 4

8VL t

  

μ

gh r 4

8VL t

   

(12)

式(2)中8，g，π均為常數，在固定黏度中r，h，

V，l亦可視作常數，故式(2) 可簡化為：

(3)

C可視為黏度計常數(cSt/sec)。易言之，液體的絕對黏度(absolute viscoity)，可由黏度計測定其流出的時間與液體的密度及黏度計的常數之乘積求得。將 (3)式改寫為：

(4)

即一定容積液體利用其本身液體重力流經黏度計毛細管所需時間，乘以黏度計常數，得其運動黏度(kinematic viscosity) υ。

   Ct

 Ct

  



(13)



液體黏度的測量方法大概可分成四類：



（1）毛細管型：根據驅動力的不同，可分加壓型與重力型兩種。前者以一固定的壓力壓擠液體，使其流動。

後者以重力使液體下降通過毛細管。後者最大的優點有二，其一為管長與直經之比(L/D)遠大於50，

端效應可忽略不計。其二為流體流動的型式是層流。



本實驗採用此毛細管型。

(14)



（2）落球型：利用落球式黏度計量測未知流體在某一溫度下的黏度，當落球在管內流體自由落下後，由於黏滯力、重力和浮力的作用，最後達到終端速度，

繼而等速下墜，因此只需測量測定距離落球落下時間即可求出黏度。



（3）旋轉型：此型黏度計，根據扭力與黏度的關係測量黏度，適用於黏度較高之液體，如高分子聚合物及潤滑油。

Couette-Hatschek 及Garrison 兩種黏度計為此類的代表。

(15)



（4）動態雷射光散射法：此法已廣乏的應用於測量聚合物的黏度，以及微生物學和碰撞科學領域中物質黏度的測量。Brunson 等人則將其應用於測量醇類及其與烴類混合物的黏度。此法乃根據移動度(mobility) 為分子顆粒的大小及黏度的函數，然後以此法測量分子顆粒的移動度，再由已知的分子顆粒大小，換算成黏度。

(16)

四、方法&步驟

1. 流體黏度機電源打開。

2. 調整測試溫度至30°C，等待10分鐘讓黏度計裡的流體恆溫。

1.

2.

(17)

四、方法&步驟

3. 將試管型號25、50的試管套入固定座，

放上軟塞並加入純水到最上紅線以上。

25試管加入5~6㏄純水，50試管加入 5~6 ㏄純水。

固定座

最上紅線以上

加入5~6㏄純水

(18)

4. 10分鐘後，黏度機裡的流體已經恆溫，

再將2支試管放入黏度機裡，再等待10分鐘讓試管內的純水恆溫。

(19)

5. 10分鐘後將試管上的軟塞拔除，讓試管內的純水開始流動。

(20)

6. 當液體流到最上紅線開始計時。

(21)

7. 當流到最下紅線按停止。

8. 將測試的時間紀錄下來。

(22)

9.將試管內的純水倒出，將魔術靈噴在試管表面上，等20秒後用自來水清洗。

10.清潔完後用抹布把試管表面擦拭乾淨。

11.每次調整溫度增加2.5°C，調整溫度至 90°C。

12.接下來的步驟重覆步驟2.至步驟12.。

13.計算黏度：

^___(秒數) x _______(黏度管常數cst/sec ) = ____(cst)

Kinematic viscosity=c t (1cst=10

^-6

m

²

/sec)

(23)

13.實驗時，必須注意是否有漏水情形發生，

以免影響實驗的準確性。

14.實驗完畢，必須清潔拾試管、器具、收拾工作台。

15.確認黏度機電源關閉，總電源關閉。

(24)

五、結果

水之理論值與實驗的比較圖

(25)

六、問題&討論

1.溫度如何影響液體黏度？

物質的黏度與流體間的凝聚力和分子間的動量移轉率有關。液體分子與分子間距離較，因此流體層間的凝聚力是造成液體黏度的主因，溫度升高時，流體層間的凝聚力減小，因此液體間的黏度隨溫度增加而減少。

(26)

2.影響本次實驗的誤差原因應該為何及防止對策？

應該盡量避免環境所造成的誤差，如:環境溫差&人為誤差:碼表沒按準

3.對於本次實驗有何建議？

一直拿著毛細試管，手實在非常的酸，畢竟要撐10 幾分鐘，建議可以搞個固定架或類似的儀器搞定這個部分。

(27)

七、心得&建議

這個實驗來測試流體之黏度，使用純水來作比較值，我們得到的結果顯示純

水黏的黏度會因為溫度有變化而跟著改變，不過黏度的數據起伏大小就不一樣，

在溫度低時黏度變大，溫度高時黏度變小，這就是基本。到最後我們加入了小鋼珠到純水中來測試，所得到的數據結果也相同，不過黏度值比純水值還大。