Метод максимального давления пузырьков

⇐ ПредыдущаяСтр 89 из 115Следующая ⇒

В этом методе поверхностное натяжение определяется по величине давления (Р), при котором происходит отрыв пузырьков воздуха, выдуваемого в жидкость, через капилляр радиусом r.

В момент отрыва пузырька

или ,

где s – поверхностное натяжение;

р – давление воздуха в капилляре;

r – радиус капилляра.

Установка для проведения эксперимента изображена на рис. 9.5.

Система должна быть герметична; скорость вытекания воды регулируется таким образом, чтобы время образования пузырька было не менее 30 с; разность давлений в коленах манометра фиксируется в момент отрыва пузырька (максимальное давление); пипетка должна касаться поверхности жидкости, но не погружаться в нее.

Упрощенный вариант этого метода заключается в том, что поочередно измеряют давление, возникающее при исследовании стандартной жидкости (с известным значением s) и испытуемой жидкости. Тогда

, (9.8)

где s₀ и s – поверхностное натяжение стандартной и испытуемой жидкости;

р₀ и р – давление, возникающее в момент отрыва пузырьков в стандартной и испытуемой жидкости.

Рис. 9.5. Схема установки для определения поверхностного натяжения методом максимального давления пузырьков:

1 – колба с исследуемой жидкостью;

2 – пипетка с капиллярным кончиком, через который пузырьки воздуха из окружающей атмосферы продавливаются в исследуемую жидкость;

3 – эжектор для создания разряжения в системе (при вытекании воды через кран 4);

5 – манометр.

Сталагмометрический метод (метод отрывающейся капли)

Метод основан на определении веса капли, отрывающейся под действием силы тяжести от плоской поверхности торцевого среза капилляра (рис. 9.6). В момент отрыва капли вес ее уравновешивается поверхностным натяжением

Р = 2prs, (9.9)

где Р – вес капли;

2pr – окружность капилляра радиуса r;

s – поверхностное натяжение.

На практике измеряют объем вытекающей жидкости V и считают число вытекающих капель n. Тогда вес одной капли равен

Р = , (9.10)

где r – плотность жидкости;

V – объем вытекшей жидкости;

n – число капель;

g – ускорение свободного падения.

Объединяя выражения (9.1.7) и (9.1.8) получим

, (9.11)

Подсчитав число капель n, вытекших из капилляра при прохождении жидкости от отметки А до отметки В, можно рассчитать s, если известно значекние радиуса капилляра r.

Упрощенный вариант этого метода заключается в подсчете числа капель стандартной жидкости (с известным значением s₀), например воды, образующихся при истечении объема V, а затем числа капель исследуемого раствора такого же объема.

В этом случае

где s₀ и s – поверхностное натяжение стандартной и исследуемой жидкости;

r₀ и r – плотности этих же жидкостей;

n₀ и n – число капель, заключенных в объеме V, этих же жидкостей.

9.1.3. Явления смачивания и растекания

Изучение поведения жидкостей на твердых и жидких поверхностях представляет большой интерес в связи с широкой распространенностью явлений смачивания и растекания как в природе, так и в различных отраслях народного хозяйства. Явления смачивания и растекания лежат в основе процессов специальной обработки боевой техники, процессов отмывания жидких загрязнений с твердых покрытий.

Рис. 9.7. Сталагмометр

1 – расширение, в котором между метками А и В вмещается определенный объем жидкости V; 2 – капилляр.

Когезия и адгезия

Когезия характеризует взаимное притяжение частиц (атомов, молекул) однородного тела, обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия, действующими внутри тела.

Когезия характеризует прочность тел на разрыв. Она сильна в твердых телах, меньше в жидкостях.

Адгезия характеризует взаимное притяжение частиц различных тел в области их соприкосновения (т.е. на поверхности раздела фаз), обусловленное силами межмолекулярного взаимодействия между этими телами.

Количественно когезия и адгезия характеризуются соответственно работой когезии W_к и работой адгезии W_а. Эти величины измеряются в тех же единицах, что и поверхностное натяжение (Дж/м², Н/м), и они связаны с поверхностным натяжением (рис. 9.8).

Рис. 9.8. К выводу соотношения между работой когезии и

поверхностным натяжением

Работа когезии W_к – работа, которую надо совершить для разрыва однородного тела по сечению с единичной площадью на две части. Эта работа затрачивается на разрыв межмолекулярных связей внутри тела. Представим мысленно цилиндр из какой-либо жидкости с единичной площадью сечения S (рис. 9.9). Разорвем этот цилиндр на 2 части. Образовалась новая поверхность площадью 2S на границе жидкость – газ. Если вспомнить физический смысл поверхностного натяжения (это работа, которую надо совершить, чтобы увеличить на единицу площадь поверхности раздела фаз), то можно записать

W_к = 2s_Ж-Г, (9.12)

где W_к – работа когезии, Дж/м²;

s_Ж-Г – поверхностное натяжение на границе раздела

жидкость – газ, Дж/м².

При разрыве твердого тела на две части работа когезии соответственно равна

W_к = 2s_Т-Г, (9.13)

где s_Т-Г – поверхностное натяжение на границе раздела

твердое тело – газ, Дж/м².

Сразу можно отметить, что работа когезии тем больше, чем больше величина поверхностного натяжения.

Работа адгезии W_a – работа, которую надо совершить для разрыва двух соприкасающихся тел с единичной площадью контакта. Эта работа затрачивается на разрыв межмолекулярных связей, возникающих на границе раздела фаз.

Рис. 9.9. Соотношение между адгезией и

поверхностным натяжением

Пусть в соприкосновении находятся две несмешивающиеся жидкос-ти с единичной площадью контакта. Граница раздела фаз характеризуется поверхностным натяжением s_{Ж1- Ж2}. После разрыва исчезла граница раздела фаз ж₁-ж₂, но появились две новые площади поверхности, которые характеризуются поверхностным натяжением s_{Ж1- Г} и s_{Ж2 - Г}.

Очевидно, что работу адгезии можно рассчитать по формуле

W_a = s_{Ж1- Г} + s_{Ж2 - Г} – s_{Ж1- Ж2} (9.14)

Это выражение называется уравнением Дюпре.

По аналогии при отрыве жидкости от твердой поверхности совершается работа адгезии, равная:

W_a = s_{Ж - Г} + s_{Т - Г} – s_{Т - Ж} (9.15)

По уравнению (9.14) работу адгезии вычислить достаточно легко, поскольку все входящие в него величины определяются экспериментально.

По уравнению (9.15) рассчитать W_апрактически невозможно, т.к. определение поверхностного натяжения на границе с твердым телом представляет собой сложную экспериментальную задачу.

Силы когезии и адгезии играют большую роль в процессах смачивания и несмачивания жидкостями твердых тел, склеивания материалов, нанесения лакокрасочных и других покрытий, печатания, крашения.

⇐ Предыдущая 84 85 86 87 888990 91 92 93 Следующая ⇒