Метод измерения наибольшего давления
.
Метод наибольшего давления в пузырьке газа
Метод основан на измерении давления, при котором происходит отрыв пузырька газа (воздуха), выдуваемого в жидкость через капилляр. Росту пузырька, другими словами, увеличению поверхности раздела фаз препятствуют силы поверхностного натяжения. И чем больше 
, тем больше следует приложить усилий (создать внутреннее давление), чтобы выдуть пузырёк в жидкость. В момент его отрыва от кончика капилляра внутреннее давление максимально и пропорционально . Кончик капилляра должен лишь смачиваться жидкостью и приподнимать мениск вверх на 1-2 мм. При таком условии поправкой на гидростатическое давление при образовании пузырьков можно пренебречь.
Максимальное давление в пузырьке можно измерить с помощью прибора Ребиндера, изображенного на рис. 1.1 
. Прибор состоит из измерительной ячейки 1 с капилляром 2, аспиратора 3, с помощью которого создают разряжение в ячейке, и манометра 5, измеряющего разность давлений в ячейке и атмосферного h.
В данной лабораторной работе опыты проводят при комнатной температуре, поэтому приведенный на рисунке термостат 7 с регулятором температуры 6 не используется: применяется он в лабораторной работе 2, где измерения производят при различных температурах. Значение не равно давлению h, а лишь пропорционально ему. Поэтому для измерения поверхностного натяжения необходимо ячейку прибора Ребиндера прокалибровать, используя жидкость (стандартная жидкость) с известным . Обычно с этой целью применяют воду, для которой 
= 72,75 мДж/ 
при 20°С. Измеряют максимальное давление 
в пузырьке газа, выдавливаемом в воду. Далее рассчитывают константу ячейки k:
|
|
|
Измерив максимальное давление h в пузырьке газа, выдавливаемом в исследуемую жидкость, по известному к вычисляют её поверхностное натяжение:
Метод измерения максимального давления в газовом пузырьке
Измерение максимального давления Pm в газовом пузырьке, образующемся из калиброванного отверстия в исследуемую жидкость, смачивающую материал капилляра(0<Q<90°) позволяет рассчитать поверхностное натяжение жидкостипо результатам определения давления в момент отрыва пузырька от капилляра или, в других вариантах метода, максимального давления, которое может быть создано в газовом пузырьке. Расчет поверхностного натяжения проводится по формуле
, (1.1.77)
где Dr – разность плотности газа в пузырьке и жидкости; h – глубина погружения капилляра в жидкость; r и Z – соответственно радиус кривизны мениска в вершине газового пузырька и расстояние от нее до плоскости среза нижнего конца строго вертикально установленного калиброванного капилляра в момент наибольшего давления. Считается, что радиус кривизны мениска равен радиусу капилляра.
|
|
|
Поскольку r и Z трудно определить, был предложен ряд уравнений для расчета поверхностного натяжения, среди которых наибольшее распространение нашла зависимость, предложенная Шредингером,
, (1.1.78)
где r0 – радиус капилляра.
При 
расчет по этому уравнению обеспечивает систематическую погрешность не более 1% .
Метод измерения максимального давления в газовом пузырьке отличается простотой аппаратурного оформления и достаточно высокой точностью, найденное поверхностное натяжение не зависит от краевого угла смачивания жидкостью материала капилляра и от плотности жидкости, измерения проводятся каждый раз на вновь образованной поверхности, а испарение с нее исключается. Все это делает данный метод одним из наиболее распространенных. К недостаткам метода следует отнести необходимость учета при определении поверхностного натяжения гидростатического давления столба жидкости в капилляре. Поэтому необходимо либо помещать капилляр строго на поверхности, либо измерять глубину его погружения.
Рис. 1.14. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом максимального давления газа в пузырьке
|
Впервые простой прибор для определения поверхностного натяжения по методу измерения максимального давления газовых пузырьков предложил академик П.А. Ребиндер. Схема такого прибора приведена на рис. 1.14. Разряжение в измерительной ячейке 2, в которую помещены калиброванный капилляр 3 и исследуемая жидкость 1, создается за счет истечения воды из сосуда 4. Давление, при котором отрывается пузырек, измеряется с помощью наклонного манометра 5. Изменяя угол наклона j манометра можно повышать точность измерения максимального давления при отрыве пузырька. При использовании стандартной жидкости можно исключить необходимость измерения радиуса капилляра прибора. Тогда 
.
|
|
|
Метод можно использовать как для чистых жидкостей, так и для растворов с высокой концентрацией растворенного вещества и вязкостью. Для исключения погрешности, связанной с измерением глубины погружения капилляра в исследуемую жидкость, используются измерительные ячейки с двумя капиллярами, впервые предложенные Сагденом. Один из капилляров должен иметь радиус не менее 2 мм, а второй около 0,1 мм. Расчет поверхностного натяжения проводиться по формуле Сагдена:
|
|
|
, (1.1.79)
где A – постоянная прибора; R2 – радиус большого капилляра; P1и P2 – давление газа при отрыве газового пузырька соответственно из малого и большого капилляров.
Погрешность метода в такой модификации достигает 0,3%. Плотность жидкости не надо измерять с большой точностью, так как ошибка в измерении, равная 1%, приводит к погрешности в рассчитанном значении поверхностного натяжения всего 0,1%.
Метод максимального давления в газовом пузырьке дает возможность проводить измерения поверхностного натяжения в широком интервале времени образования поверхности — от нескольких десятых долей секунды до нескольких часов. Для больших временных интервалов образования газовых пузырьков требуется стабилизация давления и температуры, при которых ведутся измерения.
Метод капиллярного поднятия
Капиллярное поднятие жидкости, уравнение Жюрена
Процесс капиллярного поднятия жидкости является очень важным процессом и имеет достаточно широкое применение.
В этом случае можно рассматривать капиллярное давление (разность давлений в соседних фазах, которые разделены искривленной поверхностью) как добавление, которое в зависимости от знака кривизны может уменьшать или увеличивать давление внутри капли.
При контактах жидкостей с твердыми телами важной характеристикой является краевой угол смачивания, который может образовываться между поверхностями жидкости и твердого тела.
Если происходит достаточное смачивание твердой поверхности, при котором угол смачивания меньше 90°, говорят о гидрофильности вещества, если же угол велик и составляет больше 90°, говорят о процессах гидрофобности.
При условии смачивания поверхности жидкостью стенок капилляра ее поверхность будет казаться искривленной и иметь т. н. отрицательный радиус кривизны r.
В результате такого процесса давление в жидкости над поверхностью оказывается понижено по сравнению с тем давлением, при помощи которого жидкость будет подниматься по капилляру до тех пор, пока капиллярное давление не будет уравновешено:
Pσ = H(ρ1 – ρ11)g,
где r1, r11 – плотности жидкости и ее насыщенного пара; g – ускорение свободного падения; H – высота подъема жидкости.
Кривизна поверхности жидкости в капилляре может определяться условиями смачивания, т. е. значениями краевого угла Θ. Высота капиллярного поднятия жидкости может определяться по формуле Жюрена:
H = Pσ / (ρ1 – ρ11)g.
Из уравнения Жюрена следует, что чем лучше жидкость смачивает стенки капилляра, тем выше происходит поднятие жидкости в капилляре при данном значении напряжения.
Если происходит несмачивание поверхности, жидкость способна образовывать некий выпуклый капиллярный мениск, этому условию будет отвечать повышение давления в жидкости под поверхностью самого мениска, и вместо поднятия жидкости происходит опускание жидкости.
Смачивание идет с уменьшением поверхностной энергии, при котором выделяется теплота. При лучшем смачивании твердого тела жидкостью теплота смачивания повышается. Метод капиллярного поднятия жидкости основан на рассмотренной выше формуле Жюрена.
При этом используют достаточно тонкие капилляры, что необходимо для обеспечения сферической поверхности мениска, но использование капилляров, которые смачиваются хорошо, позволяет избежать всех неувязок, которые могут возникать при определении краевого угла.
Существуют также полустатические методы определения поверхностного натяжения на границе жидкости.
Такое условие возможно при нарушении равновесия системы. Но при исследовании каждой новой системы необходим новый подбор оптимальных скоростей приближения к состоянию равновесия.
Этот процесс необходим, чтобы измерения не были очень долгими, т. к. для установления равновесия в системе требуется время.
Во всех методах используют приближенные значения и сравнивают с полученными данными для другой жидкости, для которой значение поверхностного натяжения известно с высокой точностью.
Сталагмометорический метод
Классификация ПАВ. Примеры
Строение ПАВ
Дата добавления: 2019-11-25; просмотров: 795; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!