Способ определения поверхностного натяжения жидкостей Советский патент 1983 года по МПК G01N13/02 

Поставленная цель достигается тем что согласно способу бпределенйя поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле выдавливаемой из капилляра, максшлал ное давление создают с помощью центробежных сил, приэтом измеряют скорость вращения капилляра с жидкостью Ь момент вьщавливания капли, а искомую величину определяют по формуле (,(j 22 gVu)4 где р - плотность, кг. h - высота жидкости, м; г - радиус капилляра, М; (К - скорость вращения, R - расстояние от оси вращения до вертикальной оси подвеса измерительной ячейки, м; г и г/2 - расстояния от оси .подвеса до плоскостей, ограничивающих жидкость в капилляре, ,j g - ускорение силы тяжести, МсЕсли привести во вращение капилляр с жидкостью, то на жидкость начинает действовать инерционное давление, при этом под действием центробежных сил капилляр отклоняется от вертикали АА на определенный угол Р , причём кончик капилляра направлен в сторону, противоположную оси вращения. На жидкость в капилляре действуют две силы - центробежная и гравитационная, с учётом которых из соотношения (1) получаем расчетную формулу (2). Под действием инерционных перегрузок часть жидкости, находящаяся выше уровня сливного окна, выходит из капилляра и устанавливается столбик жид кости, высота которого строго соответ ствует расстоянию между срезом капилляра и нижним срезом сливного окна. При определенной скорости вращения центробежное давление на жидкость в капилляре уравновешивает избыточное давление, возникающее вследствие наличия искривленной поверхности капли и жидкость вьщавливается из капилляра. На фиг. 1 изображена измерительна ячейка, общий вид; на фиг. 2 - схема размещения измерительной ячейки и ее электрических соединений; на фиг. 3 - схема установки измерительной ячейки Ячейка состоит из следующих основных узлов: внешнего корпуса 1 в виде трубки, капилляра 2 со сливньм окном 3 и выходным отверстием 4, контактной площадки 5 с впаянными в нее молибденовыми электродами 6. На некотором расстоянии от среза капилляра 2 на трубке имеется сливное окно 3, причем расстояние между нижним срезом сливного окна и кончиком капилляра тщательно измеряют на измерительном микроскопе. Изготовленный капилляр впаивают во внешний корпус по четырем точкам по периметру трубки, при этом образуются зазоры между стенками капилляра и корпуса прибора, через которые жидкость в ячейке может перемещаться из одной части прибора в другую. Со стороны выходного .отверсрия 4 капилляра 2 во внешний корпус впаивают контактную площадку 5 с электродами б. После проверки на вакуумную герметичность производят заправку измерительной ячейки исследуемой жидкостью. Заправленный измерительный прибор помещают в контейнер 7 центрифужного стакана 8, снабженного нагревателем 9 (фиг. 3). При помощи подвижных меднографитовых контактов 10, расположенных на оси вращения центрифуги, электроды ячейки 11, нагреватель 9 и термодатчик .12 подключают сс ответственно к индикаторной лампе, блоку питания и потенциометру. Центрифужный стакан свободно подвешивается на горизонтальные плечи ротора-крестовины, что обеспечивает возможность отклонения стакана с измерительной ячейкой от вертикальной оси подвеса под действием центробежных сил, на угол, до 90. Первоначально при заправке вся жидкость концентрируется в нижней части прибора, если же отклонить ячейку от вертикали более чем на 90°/ то жидкость через зазоры переходит в противоположную сторону и при возвращении прибора в исходное положение происходит заполнение капиллярной трубки исследуемой жидкостью, уровень при этом устанавливается выше уровня сливного окна. Выдавливания капли из капилляра не происходит, так как высота жидкости недостаточна для создания максимального давления, при котором выполняется соотношение (1). Если же привести во вращение вал центрифуги, то при определенной скорости, вращения жидкость выдавливается из капилляра, попадает на контактную площадку и замыкает электроды, что фиксируется на индикаторе. Одновременно с помощью фотодатчика автоматически на цифровом табло тахометра регистрируется угловая скорость вращения с высокой точностью (погрешность не более 0,105 c-f) . Таким образом, скорость вращения, при которой происходит вьщавливание капли, рассчитывают поверхностное натяжение по формуле (2). i Измерения можно повторить сколько угодно раз с одной и той же жидкостью, для чего достаточно вытекшую жидкость соответствующим поворотом прибора вновь вернуть в капилляр. Изменяя темпера- . туру, получают температурную зависимость поверхностного натяжения. Пред;Лдгаемы4 способом измерено поверхност ное натяжение жидких металлов индия, висмута и галлия. Разброс результатов при прв орнЁх измерениях не превкшает . При этом использовано не более исходного вещества. Пример. Определение поверхностного натяжения жидкостей индия, :галлия, висмута. Первоначально производят термова куумную обработку измерительной ячейkii и при вакууме заполняют ее исследуемБМ ме Еаллом. На нарушая герметичности, ячейку отпаивают от ва куумного поста и помещают в стакан центрифуги. Производят заполнение ка:пиллярной трубки жидким металлом, при чем уровень жидкости устанавливается вьш1е уровня сливного окна . Расстоя ние от нижнего среза этого отверстия до кончика капилляра 2 и диаметр последнего измеряют на ми1 роскопе УИМпри сборке измерительного прибора. Эти параметры капилляра измерительной ячейки для жидкого индия равны h 1,397110-2-м и rtc 5,251 -10-5м. Под действием центробежных сил металл, находящийся, над с лив ньм окном, выходит и, когда центробежное давление на жидкость достигает 21157 Н«м капля.жидкого индия выдавливается из капилляра 2 и замыкает контакты на йлсяцадке 5, что фиксируется индикато ной лампой. При этом автоматически регистрируется скорость вращения с помощью тахометра ЦАТ-2М, которая ра на 41,343 сИ . Из этих даиных, исполь зуя расчетную,формулу (2), определяют поверхностное натяжение и(1дия при температуре 453°К: h 1,397. 1У 41,343 с 9,804 5,251. 9,425ЧО м; - 3,9 19-10- м; . р 6,99710 кг.м 2, О- 0,555 Н.м-. Аналогично проводят измерения поверхностного натяжения жидкого галли

Таблица 1. Капилляр измерительного прибора имеег радиус 4,250 10м и расстояние Между срезом сливного окна и срезом капилляра h 3,5710 м, что.соответствует высоте жидкости. Измерения проводятся при различных температурах в области 313 - 723°К. Величины R 9, и g 9,804 м.с-- являются постоянными. Расчет поверхностного натяжения галлия производится по Фо1Ж1уле (2) точно так же, как и для 1НДИЯ . Данные для расчета и результаты приведены в табл. 1. Напряженность центробежного поля, при котором проводятся измерения поверхностного натяжения жидкого галлия, находится в пределах (159-158)g, при этом на жидкость создается давление 33805-32141 Н.м. Поверхностное натяжение жидкого висмута определяется в центробежных . полях с факторами перегрузки (39-37)g, давление при этом 37311-35368 Н-м. Ргщиус капилляра измерительного пригбора равен г 1,997г10 м, а расстояние меяосу срезом сливного окна и койчиком капилляра h 9,728 . Значение остальных параметров, входящих ;В уравнение (2) , и результаты, расчета поверхностного натяжения жидкого висмута приведены в табл. 2. Измерение поверхностного натяжения . методом максимального давления-, кото рое создается при помощи центробежных перегрузок, приводит к значительной экономии дорогостоящих материалов. РПЫТЫ с металлами показывают, что используется почти, в 100 раз меньше количества исходного вещества по сравнению с затратами при традиционных ме|тодах измерения поверхностного натяжения. Кроме того, простота конструкции измерительного прибора в сравнении с приборами Пугачевича намного . облегчает и упрощает их изготовление, к тему же процесс проведения измерения отличается своей простотой, а ре-- .зультаты - высокой воспроизвод11мостью.

Формула изобретения

Способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле, выдавливаемой из капилляра, отличающийся тем, что, с целью экономии дорогостоя-20 щих материалов, повышения воспроизводимости результатов и расширения круга исследуемых материалов, максимальное давление создают с помощью центробежных йл,|.при зтом измеряют угло- 25 вую скорость вращения капилляра с жидкостью в момент выдавливания капли, а искомую величину определяют по форму -, Ле

РЬ|к„ а( .,j4 . 30

где 9- плотность, кг. h - высота жидкости, м;

CK- радиус капилляра, м; (V - скорость вращения,

R - рггсстояние от оси вращения до вертикальной оси подвеса измерительной ячейки, м

г и ГА расстояния от оси подвеса до плоскостей, ограничи ивакщих ЖИДКОСТЬ в капилляре, м;

g - ускорение силы тяжести, м.сг

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Семенченко В,К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. М., ГИТТЛ, 1951, с. 61-75.

I2.Авторское свидетельство СССР

270340, кл. G 01 N 13/02, 1970 (прототип) .

6Mf/t nu/rra/fwf