СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ "РАСТЕКАНИЯ" Российский патент 2015 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к области исследования поверхностных явлений и предназначено для надежного определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей σ₂₁.

Под этим коэффициентом понимается поверхностное натяжение жидкости (2) на границе с ее паром (1) или другим газом [1].

Известно несколько способов определения поверхностного натяжения жидкостей: по весу капли «методом прямого взвешивания» [4], методом отрыва кольца [3], методом пластинки Вильгельми, капиллярным методом [1, 2] и др.

Известен метод по отрыву кольца [3], в котором измеряется сила отрыва кольца от поверхности жидкости, которая используется для расчета поверхностного натяжения жидкости. К недостаткам указанного метода следует отнести зависимость силы отрыва от материала кольца, что приводит к необходимости вводить физически необоснованные эмпирические коэффициенты (наподобие коэффициентов трения между автомобильной шиной и сухим и мокрым асфальтом, гравийной дорогой, льдом и т.д.). Другим недостатком этого метода является принципиальная невозможность одномоментного отрыва всей площади кольца от поверхности жидкости, что приводит к большой погрешности при измерении силы отрыва.

Известен «метод прямого взвешивания» [4], в котором измеряется вес пластинки, погруженной на половину своего объема в исследуемую жидкость, который используется для расчета коэффициента поверхностного натяжения жидкости. К недостаткам метода относится то, что в нем измеряется не коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ₂₁, а коэффициент межфазного натяжения σ₃₂ в системе «твердое тело (3) - жидкость (2)».

Общим принципиальным недостатком указанных и других известных методов (например, по весу капли, капиллярному методу) является необоснованное игнорирование при расчетах вклада от силы межфазного взаимодействия, которая влияет и на величину массы капли, и на силу отрыва кольца или пластины, и на величину «превышения» в капиллярном методе.

Игнорирование указанного вклада от силы межфазного взаимодействия при определении коэффициента поверхностного натяжения делает результаты измерений недостоверными (ведет к «промахам» в измерениях), так как фактически измеряется не коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости σ₂₁, а некий интегральный коэффициент, величина которого зависит как от коэффициента поверхностного натяжения исследуемой жидкости σ₂₁, так и от коэффициента межфазного натяжения σ₃₂ между этой жидкостью и конкретным материалом капилляра, кольца или пластины.

Из исследованного заявителем уровня техники в качестве прототипа заявителем выбран метод «большой капли и пузырька» [1], основанный на измерениях толщины капли и пузырька в условиях равновесия, в котором этот принципиальный недостаток отсутствует.

Недостатком этого метода являются принципиальные ошибки, допущенные при обосновании уравнения равновесия капли, которые делают этот метод непригодным для практического использования, т.е. приводят к промахам в измерениях.

Обоснование, приведенное в [1] (см. Молекулярная физика, стр.341-342), излагается следующим образом: цитата «Условием равновесия капли является равенство абсолютных значений сил, стремящихся превратить ее (каплю) в тонкую пленку, и сил, стремящихся придать ей сферическую форму. Растянуть каплю в тонкую пленку стремится, во-первых, сила тяжести (точнее - сила гидростатического давления) и, во-вторых, сила поверхностного натяжения на границе между жидкостью и твердой подложкой (точнее - сила межфазного натяжения, σ₃₂). Сферическую же форму капле стремится придать сила поверхностного натяжения на поверхности жидкости (σ₂₁)».

Когда на основании этих, абсолютно правильных, утверждений было составлено уравнение равновесия для капли

где под σ понимается σ₂₁, то была допущена следующая ошибка - осуществлена подмена значения коэффициентов. А именно, коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ₂₁ был приравнен к коэффициенту межфазного взаимодействия σ₃₂, что абсолютно неверно и приводит к указанным промахам.

Вторая ошибка заключается в том, что при анализе условий, необходимых для равновесия растекшейся жидкости, не учитывается влияние неизбежного искривления фронта растекшейся жидкости.

Искривленность фронта (различная для случая смачивания и несмачивания) порождает дополнительное давление (давление Лапласа), и, как следствие, порождает дополнительную препятствующую растеканию жидкости силу, которая не была учтена в прототипе.

Кроме того, искривленность фронта растекшейся жидкости влияет также и на величину силы гидростатического давления.

Эти ошибки, указанные выше, делают уравнение, в принципе, непригодным для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей σ₂₁, что приводит к промахам в определении коэффициента.

Задачей заявленного технического решения является устранение приведенных выше недостатков прототипа и надежное определение достоверного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ₂₁.

Сущность заявленного способа заключается в том, что в способе определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом «растекания», включающем определение толщины равновесного слоя растекшейся жидкости, определение сил гидростатического давления, определение силы поверхностного натяжения на границе между жидкостью и твердой подложкой - силы межфазного натяжения, дополнительно выполняют определение коэффициента межфазного натяжения между конкретной подложкой и исследуемой жидкостью, после чего определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости посредством использования уравнений по формулам:

для случая полного смачивания

для случая полного несмачивания

где ρ - плотность исследуемой жидкости; g - ускорение свободного падения; h - толщина равновесного слоя растекшейся жидкости; σ₃₂ - коэффициент межфазного натяжения в системе «материал подложки - исследуемая жидкость»; σ₂₁ - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.

Теоретической основой заявленного способа, позволяющего надежно определять коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей, является уравнение равновесия растекшейся жидкости, но уже с учетом искривленности фронта, т.е. с учетом четвертой силы (не учитываемой ранее силы), порождаемой давлением Лапласа.

Надежное определение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей σ₂₁, определяемого посредством заявленного технического решения, обеспечивает получение достоверных значений коэффициента поверхностного натяжения основных жидкостей (океанской воды, нефти, артериальной и венозной крови), знание которых имеет не только чисто научное значение, но также и большое практическое значение в самых различных областях науки и техники.

Так, например, известно, что скорость испарения воды связана с ее поверхностным натяжением, площадь нефтяного загрязнения зависит от поверхностного натяжения конкретной нефти и конкретной воды, такая же ситуация с проницаемостью нефти и воды в нефтеносных породах. От величины поверхностного натяжения артериальной и венозной крови зависят особенности ее движения по соответствующим капиллярам, что также влияет на жизнедеятельность организма в целом.

Равновесие растекшегося слоя жидкости в заявленном способе определяется с учетом силы, порожденной давлением Лапласа, которая ранее не учитывалась в уравнении равновесия (1). Таким образом, конечным результатом заявленного технического решения является обоснованное уравнение равновесия растекшейся жидкости, которая определяется результирующим действием четырех сил (точнее, их горизонтальными компонентами), геометрическая сумма которых при равновесии должна быть равна нулю. Указанные четыре силы приведены и подробно пояснены ниже.

1. Сила гидростатического давления. Ее горизонтальная компонента способствует растеканию жидкости и равна (на единицу длины периметра пятна):

F=0.785 ρgh² (при полном смачивании, например, вода на чистом стекле, фронтом пятна является половина выпуклого мениска),

F=1.57 ρgh² (при полном несмачивании, например, вода на органическом стекле, фронтом является полный выпуклый мениск).

2. Сила адгезионного взаимодействия σ₃₂ (на единицу длины периметра). На границе 3-х фаз (подложка - жидкость - газ) равнодействующая (между когезией и адгезией) направлена под определенным углом θ либо внутрь подложки, либо внутрь жидкости. Горизонтальная компонента равнодействующей в обоих случаях способствует процессу растекания и равна σ₃₂ cosθ.

3. Сила поверхностного натяжения жидкости σ₂₁. Она равна 1σ₂₁ (на единицу длины периметра) и препятствует увеличению площади поверхности.

4. Сила Лапласа. Фронт растекшейся жидкости при ее равновесии представляет собой половину выпуклого мениска (в случае полного смачивания) либо полный мениск (в случае полного несмачивания). Это порождает силу Лапласа, равную, соответственно, либо 0.5 σ₂₁, либо 1 σ₂₁, которая также препятствует растеканию жидкости.

В итоге, условием равновесия жидкости, растекшейся по твердой подложке, будет:

В случае полного смачивания

В случае полного несмачивания

Таким образом, уравнения (1) и (2) адекватно описывают состояние равновесия растекшейся жидкости, что позволяют надежно определять верхнюю границу достоверного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Из этих уравнений (1) и (2) следует, что поставленная цель (достоверное определение поверхностного натяжения жидкостей σ₂₁) достигается путем измерения толщины слоя h растекшейся жидкости при ее равновесии.

В целом определение толщины растекшегося слоя осуществляется следующим образом. На плоскую твердую подложку шприцем помещается исследуемая жидкость в объеме, достаточном для образования у нее плоской поверхности. После установления равновесия, толщина растекшегося слоя измеряется одним из существующих способов (оптическим, ультразвуковым и другими) или, при отсутствии соответствующих средств измерения, расчетным путем.

Например, толщина слоя воды, растекшейся по чистому стеклу (случай полного смачивания) и органическому стеклу (случай почти полного несмачивания), определялась следующим способом.

Пример конкретного выполения.

На поверхность чистого стекла шприцем последовательно наливалась вода одинаковыми порциями и измерялась площадь увеличивающегося пятна. По углу наклона зависимости «объем жидкости - площадь пятна» определялась толщина слоя растекшейся жидкости.

Толщина слоя воды оказалась равной:

- на чистом стекле - 0.48 мм±12%,

- на органическом - 2.32 мм±10%.

Необходимые для определения коэффициента поверхностного натяжения воды σ₂₁ коэффициенты межфазного натяжения σ₃₂ между конкретной подложкой и исследуемой жидкостью измерялись методом «прямого взвешивания» [4] и равнялись 0.044 Дж/м² (для «чистое стекло - вода») и 0.0335 Дж/м² (для «органическое стекло - вода»).

Поверхностное натяжение воды, определенное согласно уравнениям (1) и (2) составило 0.031 Дж/м² (полное смачивание, cosθ=1) и 0.029 Дж/м² (почти полное несмачивание, cosθ=-0.76), т.е. имеет место почти полное совпадение между смачиваемой и не смачиваемой поверхностями (в пределах погрешности измерений), что вполне естественно, так как определялась характеристика одного и того же вещества - воды.

Полученное заявленным способом значение коэффициента поверхностного натяжения воды (0.031 Дж/м² (полное смачивание, cosθ=1) и 0.029 Дж/м² (почти полное не смачивание, cosθ=-0.76)) более чем в два раза меньше табличного значения (0.073 Дж/м²), приведенного в [5] Б.Д. Сумм Физические величины, Справочник, М., Атомэнергоиздат, 1991 г., гл.14, стр.331: «…измерения (поверхностного натяжения) разных авторов даже одним методом обычно дают неодинаковые значения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей для одних и тех же веществ. При отборе данных для справочника использовались сведения последних публикаций».

Таким образом, из приведенного выше возможно констатировать факт того, что из исследованного уровня техники заявителем на дату представления заявленного технического решения не выявлены надежные методы определения такой важнейшей характеристики жидкостей, а именно падежные методы определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, дающие одинаковые значения указанного коэффициента для одних и тех же веществ.

Кроме изложенного выше, следует отметить, что определенное методом «растекания» значение коэффициента поверхностного натяжения воды σ₂₁ близко к значениям, определенным капиллярным методом. Совпадение результатов, полученных четырьмя методами (два - по истечению и всасыванию в капиллярном способе и два - для смачивания и не смачивания в способе по «растеканию»), трудно списать на случайное совпадение. Скорее такое совпадение является серьезным теоретическим обоснованием заявленного способа определения важнейшей характеристики жидких поверхностей.

Заявленное техническое решение позволило решить поставленную задачу и достигнуть конечной цели, а именно, заявленное техническое решение обеспечивает возможность надежного определения достоверного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. заявленная совокупность выполняемых действий, приводящих к реализации поставленной цели, не выявлена из исследованного уровня техники.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. позволяет разрешить не разрешенную до даты подачи настоящих заявочных материалов проблему по определению достоверного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, более того, заявленное техническое решение является неочевидным для специалиста, т.к. позволяет разрешить, казалось бы, неразрешимую техническую проблему, а именно, из уровня техники выявлен следующий факт (см. Б.Д. Сумм Физические величины, Справочник, М., Атомэнергоиздат, 1991 г., гл.14, стр 331), в котором констатируется следующее цитата «Необходимо подчеркнуть, что поверхностное натяжение большинства веществ очень чувствительно к наличию примесей в самой фазе и граничной фазе. Поэтому измерения разных авторов даже одним методом обычно дают неодинаковые значения коэффициента поверхностного натяжения для одних и тех же веществ».

Заявленное техническое решение разрешает указанную проблему посредством выполнения заявленной последовательности действий.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. выполненные опыты показали возможность промышленного применения посредством использования известных в технике материалов и выполнения заявленной последовательности действий способа.

Использованные источники информации

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К., Молекулярная физика, М., Наука, 1976 г., стр.328-329, 338-341.

2. Щукин Е.Д. и др. Коллоидная химия, Высшая школа, 1992 г.

3. Патент DT 2304812 14/08/1974.

4. Патент №2154265. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом прямого взвешивания, 2000 г.

5. Б.Д. Сумм, Физические величины, Справочник, М., Атомэнергоиздат, 1991 г., гл.14, стр.331.

Изобретение относится к области исследования поверхностных явлений и предназначено для надежного определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей σ₂₁. Под этим коэффициентом понимается поверхностное натяжение жидкости (2) на границе с ее паром (1) или другим газом. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом «растекания» включает определение толщины равновесного слоя растекшейся жидкости. Также способ включает определение сил гидростатического давления и определение силы поверхностного натяжения на границе между жидкостью и твердой подложкой - силы межфазного натяжения. При этом дополнительно выполняют определение коэффициента межфазного натяжения между конкретной подложкой и исследуемой жидкостью. После чего определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости посредством использования уравнений по формулам:

для случая полного смачивания

,

для случая полного несмачивания

,

где ρ - плотность исследуемой жидкости; g - ускорение свободного падения; h - толщина равновесного слоя растекшейся жидкости; σ₃₂ - коэффициент межфазного натяжения в системе «материал подложки - исследуемая жидкость»; σ₂₁ - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости. Техническим результатом является получение достоверных значений коэффициента поверхностного натяжения основных жидкостей.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом «растекания», включающий определение толщины равновесного слоя растекшейся жидкости, определение сил гидростатического давления, определение силы поверхностного натяжения на границе между жидкостью и твердой подложкой - силы межфазного натяжения, отличающийся тем, что дополнительно выполняют определение коэффициента межфазного натяжения между конкретной подложкой и исследуемой жидкостью, после чего определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости посредством использования уравнений по формулам:
для случая полного смачивания

для случая полного несмачивания

где
ρ - плотность исследуемой жидкости,
g - ускорение свободного падения,
h - толщина равновесного слоя растекшейся жидкости,
σ₃₂ - коэффициент межфазного натяжения в системе «материал подложки - исследуемая жидкость»,
σ₂₁ - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости.