[물리 화학 실험] 액체의 점도 예비 보고서

액체의 점도

황정현, 박기훈, 전국진, 유상일

금오공과대학교 고분자공학과 물리화학실험 야간2조

 

목적

1.     Ubbelohde viscometer(점도계)를 이용하는 법을 알아보자.

2.     Viscometer constant와 E_a를 구하여 본다.

-Mark-Houwink-Sakurada식에 대하여 알아본다.

이론적 배경

1.    점도

점성률 점도라고도 한다. 유체의 점성 정도를 나타내는 중요한 값이다. 흐름방향 x축에 직각인 y축 방향에서 유속 υ에 변화가 있을 때 x축에 평행인 면 안에 유체의 속도기울기에 비례하는 변형력 X=η∂υ/∂y가 작용한다. 이때 비례상수 η가 점성도이다.

일반적인 단위는 kg/m·s 또는 Pa·s로 표시한다. 그 외에도 CGS 단위계로는 g/cm·s를 사용하는데 1g/cm·s를 1poise(푸아즈)라고 하며, 1P로 표시한다. 또한 푸아즈의 100분의 1을 centi-poise(cP)라고 하며, 실험실에서 점도의 단위로 많이 사용하고 있다. 즉 1 poise =1g/cm·s =100cP =0.1kg/m·s로 표시할 수 있으며, 1cP =0.01g/cm·s =0.00672Ibm/ft·s =2.42Ibm/ft·hr로 표시한다. 국제단위계 단위로는 뉴턴초매제곱미터(N·s/㎡)를 사용한다.

간단하게 설명 하자면

흐르는 물체의 내부에 생기는 저항 = 흐름에 대한 저항성

분자량보다는 분자의 크기를 재는 간접적인 방법

단위 : poise (1 poise = 100cp = dyne. s/cm2 = g/s. cm)

Size가 클수록 분자량이 커지고 점도가 높아짐 → 고분자

2.    점도의 측정

 한 종의 액체가 다른 층의 액체를 지날 때 겪는 저항을 점성도 또는 점도라 한다.

보통의 경우 유동성이 큰 액체인 물은 유동성이 작은 액체인 타르보다 점도가

작다라고 한다. 액체가 고체의 관을 흘러갈 때 관표면에 접해서 이동하는 액체의

경우 정지해 있다고 볼 수 있다. 이때 난류나 소용돌이 흐름이 발생하지 않는

흐름을 층류라 하며 일정 방향의 벡터를 가진다. 점도는 층류에서 발생된다. 이러한

층류에서 유체의 흐름을 방해하려고 하는 성질을 점도라 한다.

점도는 SI 단위계에서 kg m-1 s-1 ≡ Pa s로 나타내며 흔히 Poise로도 나타내기도

한다. 이때 Poise단위는 1 Poise = 1 g cm-1 s-1로 나타낸다.

점도를 측정하는 방법은 크게 3가지로 나눌 수 있으며 다음과 같다.

  - Ostwald 점도계법

  - 공 낙하법

  - 동심 실린더 점도계법

참고적으로 공 낙하법의 관계식은 다음과 같다. 점성을 가진 액체 내에서 구의

자유낙하를 식으로 표현하면 식 (3-1)과 같다.

ut = [ m(1-Vρ)g ] / f   (3-1)

이때 f = 6πηr 인 구를 Stokes 방정식으로 치환해 보면 식 (3-2)와 같다.

η = [ m(1-Vρg) ] / 6πrut   (3-2)

그러므로 한 액체의 점도 η는 그 액체를 통과는 구의 자유낙하 종말속도 ut를

측정함으로 얻을 수 있다. 두 액체인 η1, η2의 점도는 식 (3-3)을 통하여 얻을 수

있다. 여기서 V는 구의 부피이다.

η2 / η1 = ( 1-Vρ2Ut1 ) / ( 1-Vρ1Ut2 )   (3-3)

보다 편리한 방법으로 점도를 구하는 것이 유체가 모세관을 흐르는 데 걸리는

시간을 구하는 것으로 그림 3-1과 같은 Otswald 점도를 이용하는 것이다.

 

그림 3-1. Ostwald 점도계

그림 3-1에서와 같이 Mark1에서 Mark2로 낙하하는 액체의 시간 t를 측정하여 식

(3-4)에 대입하여 점도를 얻는 방법이 Otswald 점도계법이다. Poiseuille법칙에

의하면,

η = ( π4rρgtΔh ) / 8ℓV   (3-4)

이때 r은 모세관 반지름, ρ는 액체의 밀도, g는 중력가속도, t는 시간, ℓ은

모세관의 길이, V는 두 표시 사이의 액체의 부피, Δh는 두 액체 계면 사이의 높이

차이의 대수 평균값이다.

Δh = ( Δh1-Δh2 ) / ln(Δh1/Δh2)   (3-5)

두 액체에 대한 점도의 비는 식 (3-6)과 같다.

η2 / η1 = ρ2t2 / ρ1t1   (3-6)

3.    점도의 종류

 

4.    참고문헌

 Ostwald 점도계 사용법

Ostwald 점도계로 액체의 점도를 측정하는 과정

1. Ostwald 점도계를 깨끗히 씻습니다. 점도는 매우 민감한 특성이기 때문에 점도계 벽면에 다른 물질이 묻어 있으면 측정값의 오차가 매우 커질 수 있습니다.

2. 먼저 기준 액체를 비이커를 이용해 점도계의 모세관이 없는 쪽에 윗 그림의 C 부분이 다 채워질 만큼 넣습니다.

3. 피펫 필러를 이용해 액체를 a 선 위쪽까지 끌어 올립니다. 이 때 측정을 쉽게 하기 위해서는 가능한 한 액체를 높이 끌어 올립니다. 과거에는 입으로 빨아서 올리기도 했었는데 매우 위험한 방법입니다.

4. 피펫 필러를 열어서 액체가 아래로 내려가도록 하면서 액체의 액면이 a 선에서 b 선 사이를 지나는 시간(유출시간)을 스톱워치로 측정합니다.

5. 이 실험을 5회 가량 반복하여 평균 시간을 구합니다.

6. Ostwald 점도계를 깨끗히 씻습니다.

7. 이번에는 측정하고자 하는 액체(시료액체)를 이용해 2~5의 과정을 반복합니다.

8. 기준 액체의 유출시간을 t0, 시료 액체의 유출 시간을 t 라고 하였을 때 시료 액체의 비점도는 다음과 같습니다.

비점도(ηsp) = ( t - t0 ) ÷ t

 

기구 및 시약

기구	시약
water bath 점도계	Cyclohexane Hexane Benzene

  Water bath                             점도계

 

실험방법

① 30℃ 항온수조에서 cyclohexane, hexane. Benzene의 순서로 flow time(t) 측정.

    (3~5회 실시, 오차범위 :0.3초)

②

③ 35℃, 40℃에서 benzene의 flow time(t) 측정.

④ η/d = at + b/t 에 대입하여 η 계산.

⑤ η = η0 exp(-Ea/RT) → ln η = ln η0 - Ea/RT 에서 Ea계산.

Reperence

u   이익춘, 박영자, 물리화학실험, 탐구당, 1983. P. 49

u   김규홍, 성용길, 물리화학, 자유아카데미, 1987. P. 237

u   황정의, 김양, 물리화학, 희중당, 1985. P. 350

u   안운선, 물리화학, 일신사, 1981. P. 268

u   김우식, 단위조작 실험, 삼광출판사, 1970. P. 96

u   네이버 지식인,  점도계, 090421               http://ask.nate.com/qna/view.html?n=5239104&sq=%C1%A1%B5%B5%B0%E8

u  네이버 백과사전, 점도, 090421                   http://100.naver.com/100.nhn?docid=135503