Какие существуют способы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости

1.4. Методы определения поверхностного натяжения

Существуют два типа методов определения поверхностного натяжения: статические и динамические.

Динамические методы, например метод колебания струи, вытекающей из отверстия неправильной формы, позволяют измерить поверхностное натяжение вновь образованной поверхности сразу после ее образования. Статическими методами измеряют поверхностное натяжение на границе раздела фаз, пришедших в равновесие. Если равновесие между фазами устанавливается достаточно быстро, то статическое поверхностное натяжение можно измерить достаточно просто. Если же равновесие устанавливается за очень длительный промежуток времени, особенно при переходе одного из компонентов системы через границу раздела фаз, то ни один из методов не дает истинного значения равновесного поверхностного натяжения. В этом случае говорят о полустатических значениях поверхностного натяжения и в обязательном порядке следует оговаривать продолжительность образования новой поверхности раздела фаз.

Наибольшее распространение получили следующие методы определения поверхностного натяжения жидких межфазовых границ:

· метод измерения массы или глубины погружения предмета в исследуемую жидкость (метод Вильгельми);

· метод измерения геометрических размеров свободных поверхностей раздела фаз (лежащая, висящая или вращающаяся капля, сидящий или висящий пузырек);

· метод измерения усилия отрыва предмета от поверхности раздела фаз (отрыва цилиндра — метод Падди, отрыва кольца — метод Дю-Нуи);

· метод измерения максимального давления в пузырьке газа или капле жидкости (метод Шредингера).

Источник

Способы определения поверхностного натяжения жидкостей

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами.

Статические методы:

1. Метод поднятия в капилляре

Основан на определении высоты столба жидкости h в капилляре радиуса r при полном смачивании; поверхностное натяжение рассчитывают по формуле:

Высота подъема , где -разность плотностей жидкости и вытесняемого газа, r-радиус капилляра. Точность определения поверхностного натяжения растет с уменьшением отношения r/а (а-капиллярная постоянная жидкости).

При идеальном смачивании, т. е. когда краевой угол смачивания равен нулю справедливо уравнение:

= ghr/2,

— плотность жидкости;

g — ускорение свободного падения.

Недостатком этого метода является зависимость высоты подъема жидкости от характера смачивания стенок капилляра исследуемой жидкостью

2. Метод Вильгельми

Универсальный метод, особенно подходит для измерения поверхностного натяжения в течение длительного промежутка времени. Измеряется усилие, возникающее в процессе отрыва стеклянной пластины от поверхности жидкости

При погружении пластины с периметром сечения L в смачивающую жидкость вес пластины

,

где G₀— вес сухой пластины

3. Метод лежачей капли

Метод основан на измерении формы капли, находящейся на несмачиваемой поверхности.

4. Метод определения по форме висячей капли.

Измеряется возможность проводить измерения при повышенной температуре и давлении. Оптическими методами анализируют геометрию капли.

5. Метод вращающейся капли

Сущностью метода является измерение диаметра капли жидкости, вращающейся в более тяжелой жидкости. Капля жидкости плотностью r1 помещается в трубку с более тяжелой (плотность r2) жидкостью. При вращении трубки с угловой скоростью w капля вытягивается вдоль оси, принимая приближенно форму цилиндра радиуса r. Расчетное ур-ние:

Этот способ измерения годится для измерения низких или сверхнизких значений межфазного натяжения.

Динамические методы:

1. Метод Дю Нуи (метод отрыва кольца).

Метод является классическим. Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию. Метод подходит для измерения ПАВ, трансформаторных масел и т. д.

Для отрыва проволочного кольца радиусом R от пов-сти жидкости требуется сила

2. Сталагмометрический, или метод счета капель.

Метод основан на определении объема капли, вытекающей из капилляра с известным радиусом

Рис.Схема простейшего сталагмометра На рис.показана схема простейшего сталагмометра, который представляет собой сферический пузырек В известного объема Vk, ограниченный метками b и d и соединенный с двумя калиброванными капиллярами, имеющими объем каждого деления vе. Сталагмометр заполняют жидкостью, затем позволяют мениску очень медленно перемещаться по капилляру, перекрывая частично доступ воздуха в капилляр А с помощью резиновой трубки и зажима таким образом, чтобы каждая капля образовывалась за время не менее 4 с. После падения первой капли проводится отсчет деления, соответствующего верхнему мениску a в капилляре А (n делений от метки a). Скорость последующего образование капель также контролируют и устанавливают время образования капли не менее 4–5 с. После достижения мениском метки, например e в нижнем капилляре C (m делений от метки d), определяют объем одной капли при числе подсчитанных вытекших из сталагмометра капель N :

(ур-ние Тейта),

где G-общий вес n капель, оторвавшихся под действием силы тяжести от среза капиллярной трубки радиусом r. Для повышения точности правую часть умножают на поправочный коэф., зависящий от г и объема капли.

К недостаткам сталагмометрического метода можно отнести возможность испарения жидкости с поверхности капель при их длительном образовании и необходимость введения поправочных коэффициентов для точного определения поверхностного натяжения.

При учете всех поправок погрешность сталагмометрического метода не превышает 1%.

3. Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера).

Оптимально подходит для измерения величины поверхностного натяжения в зависимости от возраста поверхности. Измеряется давление, которое необходимо приложить, чтобы пузырек пробульковал из капилляра в жидкость.

Расчет основан на ур-нии Лапласа. При выдавливании пузырька в жидкость через калиброванный капилляр радиусом г перед моментом отрыва давление

В этом случае определяется так называемое динамическое поверхностное натяжение, которое зависит от скорости пробулькавания пузырька.

4. Метод осциллирующей струи

5. Метод стоячих волн

6. Метод бегущих волн

При возмущении жидкости пластиной «лежащей» на её поверхности, по ней начинает распространяться цуг волн. Если просветить кювету с жидкостью импульсным источником света с частотой равной частоте возмущения, то на экран спроецируется «стоячая» волновая картина. Измеряя длину волны на экране и геометрически перерассчитывая её (зная расстояние от источника света до поверхности жидкости и расстояние от поверхности до экрана, а также про подобие треугольников) можно получить величину поверхностного натяжения по формуле:

,

Источник

Методы определения поверхностного натяжения

Метод капиллярного поднятия

Для тонких капилляров радиус кривизны можно считать равным радиусу капилляра:

Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера)

Капилляр сообщается с атмосферным воздухом, поэтому внутри трубки поддерживается атмосферное давление P₀.

Давление P над исследуемой жидкостью постепенно уменьшают с помощью водяного насоса. Разность давлений (P_о−P) стремится выдуть пузырек воздуха из капилляра в жидкость, но этому противодействует добавочное давление создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости в образующемся пузырьке радиуса r и направленное по касательной к поверхности раздела г-ж.

Наконец, при разности давлений (P_о−P), равной P_изб превышающей разность P_i,пл.–P_i,вог, из капиллярной трубки выдувается в жидкость воздушный пузырек.

Здесь неизвестен радиус r выдуваемого пузырька, измерить который крайне затруднительно. Поэтому прибегают к использованию эталонной жидкости, коэффициент поверхностного натяжения σ_o которой известен и близок к коэффициенту поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости. При этом полагают, что радиусы пузырьков, выдуваемых из одного и того же капилляра в обоих случаях будут одинаковы.

Разделив первое уравнение на второе и решив относительно σ получим формулу для вычисления поверхностного натяжения:

Сталагмометрический метод (метод счета капель)

Считают число капель (n), набирают в емкость и измеряют объем (V). Находят объем одной капли v.

где r — радиус шейки.

Т.к. радиус шейки посчитать сложно, проводят опыт с эталонной жидкостью.

Метод отрыва кольца (лаба по физике на первом курсе)

На поверхность исследуемой жидкости помещают кольцо или рамку. Если жидкость смачивает кольцо, то силы поверхностного натяжения F₁ и F₂, действующие на его наружную и внутреннюю поверхности диаметрами D и d, направлены внутрь жидкости:

Суммарная сила поверхностного натяжения равна:

Чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости, надо приложить направленную вверх силу F, которая скомпенсирует силу тяжести mg кольца и силу поверхностного натяжения F_σ:

Измерив с помощью динамометра силу отрыва кольца и зная массу и размеры кольца можно определить поверхностное натяжение жидкости:

Источник