СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ПРЯМОГО ВЗВЕШИВАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области исследований поверхностных явлений и предназначено для определения коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей.

Известно несколько способов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей [1].

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капиллярного подъема, основанный на измерении высоты подъема исследуемой жидкости в капилляре и радиуса капилляра [2].

Недостатком способа является ограниченная область его применения - только для низковязких жидкостей.

Кроме того, известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом "отрыва капель", основанный на измерении массы капли и диаметра трубки, из которой вытекает эта капля [2].

Недостатками способа являются ненадежность результатов, ограниченная область применения - только для низковязких жидкостей.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом "отрыва кольца", основанный на измерении силы, необходимой для отрыва кольца от поверхности исследуемой жидкости [3].

Однако известный способ не позволяет измерять коэффициент поверхностного натяжения жидкости с достаточной точностью и надежностью, т.к. он имеет существенный и принципиально неустранимый недостаток, заключающийся в невозможности одномоментного отрыва кольца сразу по всей площади его касания с исследуемой жидкостью.

Сила отрыва зависит от скорости отрыва, от площади касания и от других факторов, которые в процессе измерения изменяются в широких диапазонах, что делает эти измерения ненадежными. Ненадежность результатов особенно проявляется при измерении коэффициента поверхностного натяжения вязких жидкостей, что резко ограничивает область применения этого способа - только для низковязких жидкостей. Принципиальная неустранимость этого недостатка (ненадежность результатов) обусловлена тем, что теоретической основой способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом "отрыва кольца" является измерение (в конечном счете) общей работы по отрыву, величина которой зависит от большого числа внутренних (вязкость, температура) и внешних (скорость отрыва, неперпендикулярность приложенной силы) факторов, учесть которые затруднительно или даже невозможно. Общая работа, совершаемая при отрыве кольца от жидкости, содержит в себе в качестве составляющих работу по подъему жидкости, работу по преодолению внутреннего трения, работу по сокращению площади контакта и т.п. Какая из этих работ и каким образом связана с величиной коэффициента поверхностного натяжения жидкости определить практически невозможно.

Таким образом, сама теоретическая основа делает способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом "отрыва кольца" недостаточно надежным, пригодным лишь для грубых качественных оценок величины коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Целью предлагаемого способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом прямого взвешивания является повышение точности измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и расширение области применения способа.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом прямого взвешивания, включающем измерение периметра эталонного тела, взвешивается эталонное тело на воздухе, взвешивается эталонное тело, полностью погруженное в исследуемую жидкость, взвешивается эталонное тело, погруженное в исследуемую жидкость на половину своего объема, и вычисляется коэффициент поверхностного натяжения жидкости по формуле

Типичная ситуация при измерении коэффициента поверхностного натяжения жидкости представлена на чертеже.

Между молекулами твердого тела и поверхностными молекулами жидкости действует сила притяжения (сила "адгезии") f_a. На поверхностные молекулы жидкости действует сила межмолекулярного взаимодействия (сила "когезии") f_к. Совместное действие этих сил приводит к искривлению поверхности жидкости (под углом смачивания α) и, как следствие, к различным капиллярным явлениям, например, подъему жидкости в капилляре.

По своей физической сущности коэффициент поверхностного натяжения σ есть удельная поверхностная энергия жидкости (Дж/м²), которая зависит только от природы данной жидкости, т. е. от величины f_к, и не зависит от природы твердого тела.

Поэтому σ = f_k/I,
где I - периметр твердого тела или линия контакта "жидкость - твердое тело - газ".

В экспериментах обычно измеряют не f_к, а ее вертикальную компоненту f_в, которая связана с f_к соотношением
f_в = f_k • cosα.
Итак, для определения σ необходимо измерять не только значение f_в, но и угол смачивания α. Это требование относится не только к предложенному способу, но и к большинству других способов, в которых σ определяется по измеренной (прямо или косвенно) величине вертикальной компоненты силы поверхностного натяжения жидкости f_к.

В большинстве применяемых на практике способов определения σ (методе капиллярного подъема, методе отрыва кольца, методе отрыва капли), в том числе и предлагаемого авторами используется допущение о почти полном смачивании твердого тела (капилляра, кольца, пластины) исследуемой жидкостью. При этом α ---> 0, cos α ---> 1 и, следовательно, f_в ≅ f_к, т.е. для определения σ достаточно измерить величину вертикальной компоненты силы поверхностного натяжения жидкости. Следовательно, расчетная формула для определения σ принимает вид
σ = f_в/I. (1)
Такое допущение является правомерным для многих пар "твердое тело - жидкость". Например, чистое стекло и металлы практически полностью смачиваются водой, спиртом, бензином. Погрешность, обусловленная этим допущением (α ---> 0), является систематической для каждой пары и по своей величине незначительно меньше случайных погрешностей при измерении вертикальной компоненты силы поверхностного натяжения жидкости. Например, при α = 15^o, систематическая погрешность составляет всего 1,3%, а при угле α = 8^o - 1%.

Поэтому главной задачей при определении коэффициента поверхностного натяжения жидкости является повышение точности измерения вертикальной компоненты силы поверхностного натяжения жидкости.

Теоретической основой предлагаемого способа, позволяющего более точно определять вертикальную компоненту силы поверхностного натяжения жидкости (и, следовательно, коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ), является закон Архимеда для тела, частично погруженного в исследуемую жидкость. По этому "уточненному" закону вес тела, частично погруженного в жидкость, будет равен P = (P₀ - F_арх) + F_в. Откуда
f_в = P - (P₀ - F_арх),
где P - вес тела, частично погруженного в исследуемую жидкость;
P₀ - вес тела на воздухе;
F_арх - выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу исследуемой жидкости, вытесненной погруженной частью тела;
f_в - вертикальная компонента силы поверхностного натяжения жидкости.

В отличие от способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца в предлагаемом способе все измеряемые величины (P, P₀, F_арх, I) остаются неизменными в процессе измерения, что делает этот способ более точным, более надежным и с более широкой областью применения (при современных методах измерения погрешности при определении P, P₀, I могут быть сведены до 0,1%).

Погрешность измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости предлагаемым способом определяется в основном погрешностью при измерении F_арх.

Уменьшение этой погрешности при практическом применении способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом прямого взвешивания осуществляется двумя техническими решениями.

Первое. В качестве эталонного тела используются тела правильной геометрической формы (цилиндры или прямоугольные пластины), для которых F_арх прямо пропорциональна глубине погружения. Следовательно, определение объема погруженной части тела сводится к определению глубины погружения эталонного тела, что легко выполняется с погрешностью не более ± 0,1 мм.

Второе. Эталонное тело взвешивается, будучи погруженным в исследуемую жидкость точно на половину его объема. В этом случае его вес равен P_0,5v = P₀ - 0,5F_арх ^п + f_в. Откуда
f_в = P_0,5v - (P₀ - 0,5F_арх ^п),
где P_0,5v - вес эталонного тела, погруженного в исследуемую жидкость на половину своего объема;
P₀ - вес эталонного тела на воздухе;
F_арх ^п - сила Архимеда, действующая на эталонное тело, полностью погруженное в исследуемую жидкость;
f_в - вертикальная компонента силы поверхностного натяжения исследуемой жидкости.

Известно, что F_арх ^п = P₀ - P_v, где P_v - вес эталонного тела, полностью погруженного в исследуемую жидкость.

Подставляя (3) в (2), получаем
f_в = P_0,5v - 0,5 (P₀ - P_v). (4)
Подставляя (4) в (1), получаем расчетную формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости

Предлагаемый способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей методом прямого взвешивания реализуется следующим образом:
- измеряется периметр эталонного тела (I);
- взвешивается эталонное тело на воздухе (P₀);
- взвешивается эталонное тело, полностью погруженное в исследуемую жидкость (P_v);
- взвешивается эталонное тело, погруженное в исследуемую жидкость на половину своего объема (P_0,5v);
- по формуле (5) вычисляется коэффициент поверхностного натяжения жидкости (σ);
- в зависимости от применяемых измерительных приборов (весов, измерителей размеров) вычисляется погрешность (∧σ).
Таким образом, предлагаемый способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом прямого взвешивания позволяет надежно определить коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей с точно вычисленной погрешностью.

Источники информации
1. М. Джейкок, Дж. Парфит. Химия поверхностей раздела фаз. - М., Мир, 1984, с. 60.

2. А.К. Кикоин, И.К.Кикоин. Молекулярная физика. - М., Наука, 1976, сс. 327 - 328, 336 - 338.

3. А. В. Кортнев, Ю.В. Рублев, А.Н.Куценко. Практикум по физике. - М., Высшая школа, 1963, с. 165 - 166.

Изобретение относится к области исследований поверхностных явлений и предназначено для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Взвешивается эталонное тело на воздухе, затем полностью погруженное в исследуемую жидкость. После этого взвешивается эталонное тело, погруженное в жидкость на половину своего объема, и вычисляется коэффициент поверхностного натяжения. Повышается точность измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и расширяется область применения способа. 1 ил.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом прямого взвешивания, включающий измерение периметра эталонного тела, отличающийся тем, что взвешивается эталонное тело на воздухе, взвешивается эталонное тело, полностью погруженное в исследуемую жидкость, взвешивается эталонное тело, погруженное в исследуемую жидкость на половину своего объема, и вычисляется коэффициент поверхностного натяжения жидкости (σ) по формуле

где P_0,5v - вес эталонного тела, погруженного в исследуемую жидкость на половину своего объема;
P₀ - вес эталонного тела на воздухе;
P_v - вес эталонного тела, полностью погруженного в исследуемую жидкость;
I - периметр эталонного тела.