Способ определения поверхностного натяжения жидкостей Советский патент 1992 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, включая жидкости высокой вязкости, а также в слабых гравитационных полях при исследовании жидкостей, полученный в условиях новых космических технологий.

Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле с использованием сталагмометрического метода, основанный на условии уравновешивания силы тяжести капли в момент ее отрыва от конца капилляра силами поверхностного натяжения.

Способ пригоден в условиях медленного образования капли и является статическим.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле, включающий выдавливание капли из капилляра и создание максимального давления в капле с помощью центробежных сил.

Недостатком этого способа является сложность и затруднение его использования для высоковязких жидкостей.

Цель изобретения - расширение области использования способа и его упрощение.

Способ заключается в следующем.

Ч

4

О

hO

о

За счет электрического поля исследуемая жидкость из сосуда втягивается в капилляр, сообщающийся с сосудом и расположенный перпендикулярно двум электродам, один из которых находится в жидкости, а другой на расстоянии Н от первого. Под действием электрического поля на конце капилляра формируется капля жидкости. В момент отрыва капли от капилляра измеряют ее радиус R и фиксируют значение напряжения U, по величине которого и расстоянию Н между электродами опреде- ляют.напряженность однородного электрического поля Е U/H. Коэффициент поверхностного натяжения а вычисляют по формуле

+fpgR)

0)

где г, R - радиусы капилляра и капли соответственно, м;

р- плотность исследуемой жидкости, кг/м3;

g - напряженность гравитационного поля, м/с ;

Ј0 8,85- Ф/м - электрическая постоянная.

При воздействии электрического поля на жидкость она втягивается в капилляр и образует на его выходе сферическую каплю. Условие отрыва капли от капилляра:

F3 + ,

(2)

где Рэ, Fg, F0- - действующие на каплю жидкости электростатическая, гравитационная и поверхностная силы соответственно.

Электростатическая сила, действующая на каплю жидкости, равна

F3 Ео Е2 S/2 ,(3)

о

где S - площадь поверхности капли, м ; S 47TR2.

Гравитационная сила, действующая на каплю, равна

Fg 4jrR3/og/3 .

(4)

Сила поверхностного натяжения, препятствующая отрыву сферической капли от капилляра, равна

2ffSi/r1

(5)

где о- коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м;

Si тгг2 - площадь внутреннего сечения капилляра, м .

В формуле(5) предполагается, чтоотрыв

капли происходит по внутреннему радиусу капилляра.

С учетом выражений (3) - (5) из условия (2) величину коэффициента поверхностно- го натяжения жидкости определяют по формуле

R2

15

сг (6

r,0E2+|pgR),

Из выражений (2) - (5) видно, что в случае слабого гравитационного поля или отсутствия его необходимо создание лишь

более сильного электрического поля, чтобы осуществить формирование капли жидкости на выходе из капилляра и отрыв ее от капилляра. Таким образом, электрическое поле в случае слабых гравитационных полей, вплоть до полного их отсутствия, является определяющим фактором, обеспечивающим работоспособность предлагаемого способа в указанных условиях. Аналогичным образом электрическое

поле является определяющим фактором при воздействии на высоковязкие жидкости, когда формирование капли лишь под действием гравитационных сил затруднено, а часто и практически невозможно.

На чертеже представлена схема реализации способа.

Необходимое количество исследуемой жидкости набирают в верхнюю емкость 1, выполненную из диэлектрического материала, на дне которой установлен электрод 2, а в дне емкости укреплен диэлектрический капилляр 3. Ускоряющий электрод 4 с небольшим отверстием для пролета капель установлен над нижней емкостью 5, служащей

для сбора исследуемой жидкости, С помощью источника 6 высокого напряжения с плавно регулируемой величиной напряжения, значение которого определяется по ки; ловольтметру 7, между электродами 3 и 4

создается электрическое поле, под действием которого жидкость втягивается в калил- ляр 3 и образует каплю на выходе капилляра. Электрическое поле увеличивают до момента отделения капли от среза

капилляра, а радиус капли в этот момент фиксируют с помощью окулярного микроскопа 8. Подсветка при измерениях осуществляется осветителем 9. Зная радиус капилляра г, радиус капли R в момент ее отрыва от капилляра, величину напряженности электрического поля Е между электродами и плотность исследуемой жидкости А по формуле (1) определяют коэффициент поверхностного натяжения жидкости.

Пример. Определение коэффициента поверхностного натяжения воды.

Измерения проводят при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С в поле тяжести Земли при g 9,81 м/с2. Значение высокого напряжения, подаваемого на электроды, плавно изменяют от 0 до 10 кВ и измеряют с помощью электростатического киловольтметра типа С-196. Для измерения диаметра капли используют окулярный микроскоп и осветитель для оптической скамьи ОСК-2. Диаметр капилляра при измерениях составлял 0,36 мм. Измерения проводят при различных межэлектродных расстояниях Н. Результаты измерений представлены в таблице. Там же приведены значения коэффициента поверхностного натяжения 7, рассчитанные по формуле (1). Табличное значение коэффициента поверхностного натяжения при аналогичных условиях, в которых осуществлялись измерения, составляет величину порядка 73 -10 Н/м. Расхождение среднего значения результатов измерений а со справочными данными не более 1,5%.

Предлагаемый способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости может быть легко реализован на практике, он позволяет проводить измерения для жидкостей, обладающих высокой вязкостью, так как действие электрических сил в этом случае становится преобладающим над всеми другими силами, действующими при формировании капли жидкости.

0

5

0

5

Кроме того, при реализации данного способа не является принципиально необходимым гидростатическое поле становится основным фактором, ответственным за формирование капли жидкости. Следовательно, данный способ и устройство, его реализующее, могут работать в условиях слабых гравитационных полей, вплоть до невесомости.

Формула изобретения

Способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле, выдавливаемой из капилляра, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования способа и его упрощения, максимальное давление создают с помощью сил электрического поля, при этом в момент отрыва капли от среза капилляра измеряют величину напряженности электрического поля и радиус капли, а искомую величину поверхностного натяжения а определяют по формуле

0

5

a (fioE2+|yC)gR),

где г, R - радиусы капилляра и капли жидкости в момент отрыва капли от капилляра соответственно, м;

р- плотность жидкости, кг/м ;

g - напряженность гравитационного поля, м/с2;

Е - напряженность электрического поля в момент отрыва капли от капилляра, В/м;

Ј0 8,85 постоянная.

v12

10 Ф/м - диэлектрическая

X

LI

7 /r S7 f f

(ГТ

S s z fSSrS

X

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, включая жидкости высокой вязкости, а также в слабых гравитационных полях при исследовании жидкостей, полученных в условиях новых космических технологий. Под воздействием электрического поля, создаваемого с помощью источника высокого напряжения между электродами, жидкость из сосуда втягивается в капилляр, находящийся междуэлектродами, и образует каплю на выходе из капилляра. Плавно увеличивают величину электрического поля до момента отрыва капли от среза капилляра, измеряют диаметр капли в этот момент, величину напряжения между жидкостью и ускоряющим электродом, а коэффициент поверхностного натяжения вычисляют по выражению, приведенном в формуле изобретения. 1 табл., 1 ил. сл с

I-о

22 OB