Smelt in je viscometer, niet in je hand Teach article

Vertaald door Piet Das. Lesgeven in viscositeit kan gezoet worden door chocola te gebruiken.

Chocola is een van de weinige voedingsmiddelen die vast blijft bij kamertemperatuur, maar die gemakkelijk smelt bij lichaamstemperatuur. Dit bijzondere probleem is te wijten aan cacaoboter, een vettige substantie verkregen uit de zaden van cacao, dat vast is onder 25 ° C maar vloeibaar bij 37 ° C.

Zoals duizenden kinderen uit de hele wereld je kunnen verzekeren, is de kwaliteit van chocola een belangrijk onderwerp. Wanneer chocola vloeibaar is wordt de kwaliteit ervan voornamelijk bepaald door zijn viscositeit. In dit artikel presenteren we een methode, ontworpen door onze leerlingen, waarbij de viscositeit van chocola gemeten wordt met behulp van een viscometer, gemaakt van eenvoudige en gemakkelijk verkrijgbare materialen.

Na het bouwen van het apparaat, dat 2-3 uur mag kosten, kunt je hem gebruiken om de viscositeit van water, stroop, honing en chocola te meten en de waarden te vergelijken met gepubliceerde data.

Viscositeit

De viscositeit van vloeistoffen en gassen wordt gedefinieerd als de weerstand van het materiaal tegen vervorming onder druk, die wordt bepaald door de wrijving tussen de deeltjes in het materiaal. Hoe dikker het materiaal is, hoe groter de viscositeit. Volgens de wet van Poiseuille  wordt de viscositeitsfactor van een vloeistof die uit een spuit stroomt (wat betekent dat de vloeistofstroom laminair is in plaats van turbulent, figuur 1) berekend als:

n = πr⁴ρt / 8V

waarbij:

n is de viscositeitsfactor

r is de straal  van de tuit van de spuit

ρ is de massadichtheid van de vloeistof , waarbij ρ = dg, d is de dichtheid van de vloeistof (d = m / V) en g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht (9.8 ms^-2)

t is de tijd die de vloeistof nodig heeft om helemaal uit de injectiespuit te lopen.

V is het volume van de vloeistof (in onze experimenten gebruikten we 60 mL voor alle vloeistoffen).

De viscositeit wordt gemeten met een speciaal instrument, de viscometer. De meeteenheid van viscositeit is de Poiseuille (Pl), die gelijkstaat aan een Pascal per seconde, 1 Pas = 1 N m^–2 s = 1 kg m⁻¹. Ook de eenheid poise (P) = 0,1 Pa wordt gebruikt.

(NB zowel de Pl als de P worden in NL niet meer gebruikt, we gebruiken de Pa s, pascalseconde).

Een viscometer bouwen

In het volgende experiment wordt beschreven hoe je een viscometer (figuur 3) bouwt met behulp van een methode die we hebben ontwikkeld met onze leerlingen. Het centrale idee werd voorgesteld door de leerlingen, die, gegeven de wet van Poiseuille’s zich afvroegen: hoe kunnen we een viscometer bouwen met behulp van alledaagse materialen? Het apparaat in kwestie moest de viscositeit kunnen meten bij verschillende temperaturen. We kozen voor het ontwikkelen van een Ostwald type viscometer, omdat de donkere kleur van chocola met een vallende kogel type viscometer – waarbij de valtijd gemeten wordt van een balletje met bekend volume door een vloeistof – totaal ongeschikt is.

Materialen

• Een 60 mL spuit met een tuit van 2,5 cm lang
• Een lege shampoofles, diameter 7 cm en langer dan de spuit
• Polystyreen isolatiemateriaal
• Zelfklevende aluminiumfolie (“muursticker”)
• Twee thermometers waarmee je kunt meten tussen 0 en 100⁰ C
• Een methode voor het veilig ondersteunen van het apparaat boven de opvangfles/beker. Dit kan een frame zijn, dat ontworpen en samengesteld is door leerlingen, een opstelling van bodemplaten en klemmen, of gewoon twee stapels boeken zijn.
• Afbreekmes o.i.d. of schaar
• Een erlenmeyer / bekerglas met een maatverdeling aan de buitenkant
• Balans weegschaal geschikt voor het meten in stappen van 0,1 g
• Modelleerklei, b.v. Plasticine®
• Schuifmaat of een lineaal.

Werkwijze

1. Meet de binnenmaat van de tuit van de spuit met een schuifmaat of een lineaal of schrijf de door de fabrikant opgegeven maat op.
2. Haal de dop van de shampoofles.
3. Gebruik het mes of de schaar om de bodem van de shampoofles te verwijderen.
4. Draai de fles om, zodat de hals naar beneden wijst.
5. Steek de spuit, met de tuit naar beneden, in de hals van de shampoofles.
6. Sluit de tuit van de spuit en de ruimte tussen de tuit van de spuit en de shampoofles af met modelleerklei.
7. Snijd van het isolatieschuim drie stukken af elk van 30 cm x 30 cm x 5 cm.
8. Zet de drie stukken isolatieschuim in de lengte tegen elkaar aan in een driehoekige buis en plak het met plakband aan elkaar.
9. Zet de spuit-shampoofles constructie in de isolatieschuim buis
10. Pak de constructie in in aluminiumfolie.
11. Knip een klein stukje uit het isolatieschuim zodat het past over de top van de spuit-shampooflesconstructie en maak twee gaatjes voor de thermometers, zodat een thermometer in de spuit kan en de andere tussen de zijkant van de spuit en de shampoofles kan.
12. Steek de thermometers door de twee gaten in het isolatieschuim (figuur 2).
13. Het hele experimenteerapparaat moet dan op de ondersteuning gezet worden zodat de tuit van de spuit verticaal naar beneden wijst.
14. Zet de fles/bekerglas op de weegschaal en tarreer de weegschaal.
15. Zet de weegschaal onder de proefopstelling zodat de punt van de spuit in de fles/bekerglas komt.

De viscometer gebruiken

Het daadwerkelijke bouwen van de viscometer door leerlingen is al een waardevol stukje ervaringsleren. In de volgende stap, krijgen de leerlingen te maken met belangrijke onderzoeks-vragen met betrekking tot de rol van het water in de shampoofles als waterbad en de noodzaak om twee thermometers te gebruiken om er zeker van te zijn dat thermisch evenwicht is bereikt tussen de gemeten vloeistoftemperatuur en die van het waterbad.

Materialen

• Viscometerapparaat zoals boven beschreven
• Een andere 60 mL spuit met een tuit van 2,5 cm (identiek aan degene die gebruikt is in het viscometerapparaat)
• Balansweegschaal
• Water (genoeg om de shampoofles te vullen)
• Ketel of een andere waterverwarmer
• Glazen bekerglazen (een voor elke vloeistof die wordt bestudeerd)
• Stopwatch of telefoon met een timer functie
• Verschillende vloeistoffen om te bestuderen: water, honing, stroop, melk – en pure chocola kunnen allemaal bestudeerd worden. Experimenteren met witte chocola moet je niet proberen, omdat de gebruikte emulgatoren stolselvorming kunnen veroorzaken, die de stroming van de vloeibare chocolamassa stopt.

Werkwijze

1. Verhit het water en giet het in de shampoofles in de viscometer.
2. Weeg de lege extra spuit met de balansweegschaal.
3. Verwarm de vloeistof die bestudeerd moet worden.
4. Doe 60 mL van de verwarmde vloeistof in de extra spuit.
5. Weeg de gevulde spuit.
6. Verminder het gewicht van degevulde spuit met het gewicht van de lege spuit om de massa van de vloeistof te bepalen. Met de vergelijking d = m / V kun je dan, rekening houdend met het volume, de dichtheid van de vloeistof schatten.
7. Gebruik de dichtheid van de vloeistof om de massadichtheid ρ van de vloeistof te berekenen.
8. Nadat je hebt gecheckt dat de spuit goed afgedicht in het apparaat zit, breng je de verwarmde vloeistof over naar deze spuit.
9. Plaats het piepschuim deksel over de bovenkant van de viscometer en wacht tot de temperaturen van het waterbad en de verwarmde vloeistof hetzelfde zijn.
10. Verwijder de modelleerklei van de tuit van de spuit zodat de vloeistof kan beginnen te stromen. Start de timer.
11. De vloeistof zal in de maatbeker onder de spuit lopen en de balansweegschaal zal de massa van de ontsnapte vloeistof meten.
12. Gebruik de balansweegschaal om te bepalen wanneer alle vloeistof uit de viscometer is gelopen. Als dit gebeurt is stop je de timer.
13. Noteer de tijd die de vloeistof nodig had om door de viscometer te stromen.
14. De viscositeitsfactor kan dan berekend worden met de wet van Poiseuille.

Experimentele metingen en berekeningen

Experiment 1

Leerlingen kunnen de viscositeitswaarden van verschillende materialen bij twee verschillende temperaturen (20 ° C en 80 ° C) meten en de vloeistoffen in volgorde van toenemende viscositeit zetten. U kunt bespreken wat de oorzaken zouden kunnen zijn van het verschil in  viscositeit tussen de vloeistoffen.

De resultaten van onze leerlingen staan in figuur 4 en 5 en in tabel 1 en 2.

Experiment 2

Vraag je leerlingen om de viscositeitswaardes te meten van chocola, honing en water bij vijf of meer verschillende temperaturen om zo het verschil in viscositeit te bestuderen met betrekking tot verschil in temperatuur.

De tijd die nodig was voor water, honing en chocola om door de viscometer te lopen bij verschillende temperaturen staan samen met hun berekende viscositeitswaardes respectievelijk in tabel 3, 4 en 5. In figuur 6 kun je de veranderingen in viscositeit als functie van de temperatuur zien voor deze vloeistoffen.

Verdere vragen

Om de activiteit uit te breiden kun je je leerlingen aanvullende vragen stellen zoals:

1. Wat is het bereik van de viscositeitswaarden van verschillende materialen bij 20 ° C en 80 ° C? Waarom heeft donkere chocola blijkbaar een hogere viscositeit dan de andere stoffen?
2.  Wat kun je concluderen over de afhankelijkheid van de viscositeit van de temperatuur?
3. Heeft chocola of honing een hogere viscositeit bij 80 ° C? Probeer je antwoord te documenteren op basis van verder bibliografisch onderzoek.
4. Kloppen de viscositeitswaarden die je experimenteel voor water, honing en chocola vond met de waarden die in de bibliografische onderzoeksmaterialen staan? Als er verschillen zijn, kun je dat uitleggen?

De viscositeit van chocola

Gesmolten chocola vormt een dicht mengsel van met fosfolipiden beklede sucrose en cacaodeeltjes in vloeibaar vet. Hierdoor heeft de viscositeit van chocola een complex patroon dat wordt beschreven als niet-Newtons. Er is een bepaalde kracht nodig om chocola te laten beginnen met stromen; als de vloeistof eenmaal begint te stromen, doordat deze kracht toeneemt, wordt de vloeistof dunner.

In wezen zijn er twee parameters die beschrijven hoe chocola stroomt. De eerste is de limiet in elasticiteit, de kracht die chocola nodig heeft om te beginnen met stromen. De tweede parameter is de plastische viscositeit, die is gerelateerd aan de energie die de chocola nodig heeft om in beweging te blijven met een constante snelheid (Beckett, 2000).

Begrijpen hoe chocola stroomt is niet alleen maar een interessante les voor leerlingen maar natuurlijk ook erg belangrijk voor chocolafabrikanten.

Met dank aan

Wij betuigen onze diepste dank aan onze leerlingen, Zoe Efthimiadou, Viktoria Kelanastasi en Aggeliki Kosma, voorhun nauwgezetheid, heldere ideeën en hard werken.

Ook betuigen we onze dank aan de professoren KG Efthimiadis, H Polatoglou en K Melidis van de afdeling Natuurkunde aan de universiteit van Aristoteles, Thessaloniki, Griekenland, voor hun bruikbare suggesties.

Tenslotte onze diepste dank voor dhr. N. Kyriakides, een ouder van school die de taak van het construeren van de metalen basis waarop het hele apparaat was gebouwd op zich nam.

Download

Download this article as a PDF