Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ заключается в формировании на горизонтальном верхнем срезе капилляра капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью за счет подачи в сосуд с исследуемой жидкостью избыточного давления газа РИ и измерении высоты a сформированной капли исследуемой жидкости с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, величину избыточного давления газа РИ контролируют во время подачи в сосуд с исследуемой жидкостью, а затем замеряют в момент сформирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра, соответствующий состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа РИ и суммой давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и гидростатического давления РГ столба исследуемой жидкости в капилляре, высоту сформированной капли а исследуемой жидкости измеряют над горизонтальным верхним срезом капилляра, а коэффициент поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и величине давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, равной разнице между избыточным контролируемым давлением газа РИ газа и гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости в капилляре с использованием формулы:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σэ эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения; РЛ - давление Лапласа, Па; РИ - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па; РГ - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па; R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м; а - высота сформированной капли, м; r - внешний радиус капилляра, м. Техническим результатом является разработка нового способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. 2 ил.

 

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Известен способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости и угла смачивания [1], включающий измерение геометрических характеристик капли жидкости, сформированной на горизонтальной твердой поверхности, по ее изображению, а также сравнение их с численным решением дифференциальных уравнений равновесия, где в качестве измеряемых геометрических характеристик используют высоту вершины капли и радиус пятна ее контакта с твердой поверхностью. Величину коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ рассчитывают по соответствующим формулам на основе решения уравнений равновесия. Основным недостатком данного способа является высокая трудоемкость вычисления коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ связанная с необходимостью выполнения сложных математических расчетов при достаточно высокой погрешности вычисленных значений.

Наиболее близким аналогом является способ определения коэффициента поверхностного натяжения [2], заключающийся в получении с помощью видеокамеры изображения капли жидкости с последующей сегментацией полученного изображения с целью определения координат произвольных точек контура и вершины меридианного сечения капли в двух взаимно перпендикулярных направлениях с последующим вычислением радиусов кривизны поверхности капли для указанных точек. Величину коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ рассчитывают на основании численного решения дифференциальных уравнений капиллярности по найденным радиусам кривизны поверхности капли. Основным недостатком данного способа является высокая трудоемкость определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, связанная с необходимостью визуального определения координат большого числа точек контура поверхности капли по ее изображению с последующим решением большого числа уравнений.

Цель изобретения состоит в устранении недостатков известных способов путем упрощения процедуры измерения геометрических характеристик сформированной капли исследуемой жидкости, сведения к минимальным и элементарным математическим расчетам коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, а также повышения точности результатов.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости необходимо измерить только высоту сформированной капли а жидкости над горизонтальным верхним срезом капилляра, тем самым упрощая значительным образом процедуру измерения геометрических характеристик сформированной капли исследуемой жидкости. Благодаря прямому измерению величины давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, которая равна разнице между избыточным контролируемым давлением газа РИ и гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости в капилляре, расчет коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ сводится к минимальным и элементарным математическим расчетам. Кроме того, использование простых математических расчетов и двух измеряемых величин высоты сформированной капли а жидкости и избыточного давления газа РИ позволит повысить точность результатов.

Решение поставленной задачи достигается путем реализации нового способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Графический материал, поясняющий сущность предлагаемого способа, представлен на следующих фигурах:

фиг. 1 - схема устройства для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости;

фиг. 2 - схема формирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра: а - высота сформированной капли; R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости; r - внешний радиус капилляра; h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре.

Устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости (фиг. 1) состоит из сосуда 1 плотно закрытого пробкой 2, в которую вертикально вставлен капилляр 3. Сосуд 1 через боковой отвод 4 соединен с микрокомпрессором 5. На боковом отводе 4 установлен микроманометр 6. Также устройство для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости снабжено инструментом видеоконтроля 7.

Исследуемая жидкость 8 заливается в сосуд 1 таким образом, чтобы нижний срез 9 капилляра 3 был погружен в исследуемую жидкость 8 (фиг. 1).

С целью определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ формируют каплю 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 11 капилляра 3 (фиг. 2). Для этого в сосуд 1 с исследуемой жидкостью 8 через боковой отвод 4 при помощи микрокомпрессора 5 подают избыточное давление газа РИ (фиг. 1). Величину избыточного давления газа РИ контролируют во время подачи в сосуд 1 с исследуемой жидкостью 8. Избыточное контролируемое давления газа РИ оказывает воздействие на поверхностный слой исследуемой жидкости 8, заставляя ее подниматься по вертикально вставленному капилляру 3 до формирования капли 10 со сферической поверхностью на верхнем горизонтальном срезе 11 капилляра 3 (фиг. 2). В момент сформирования капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 11 капилляра 3 замеряют величину избыточного давления газа РИ с помощью микроманометра 6, подачу газа в сосуд 1 прекращают (фиг. 1). Момент сформирования капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе 11 капилляра 3 (фиг. 2) соответствует состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа РИ и суммой давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли 10 исследуемой жидкости 8 с гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости 8 в капилляре 3, который записывается следующим уравнением:

где РИ - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

РЛ - давление Лапласа, Па;

РГ - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

ρ - плотность исследуемой жидкости, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре, м (фиг. 2).

В качестве газа, подаваемого в сосуд 1 с исследуемой жидкостью 8 через боковой отвод 4 при помощи компрессора 5 (фиг. 1), может применяться воздух, инертные и другие газы в зависимости от рода исследуемой жидкости 8.

Высоту а капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью (фиг. 2) измеряют над горизонтальным верхним срезом 11 капилляра 3 с помощью инструмента видеоконтроля 7 (фиг. 1) с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли 10 исследуемой жидкости 8, используя следующее выражение:

где R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м (фиг. 2);

а - высота капли, м (фиг. 2);

r - внешний радиус капилляра, м (фиг. 2).

Коэффициент поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности капли 10 исследуемой жидкости 8 и величине давления Лапласа РЛ сферической поверхности капли 10 исследуемой жидкости 8 с использованием следующей формулы:

где σ - коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости, Н/м;

РЛ - давление Лапласа, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, м.

С другой стороны величина давления Лапласа РЛ капли 10 исследуемой жидкости 8 со сферической поверхностью в соответствии с уравнением (1) равна разнице между избыточным контролируемым давлением газа РИ и гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости в капилляре:

где РЛ - давление Лапласа, Па;

РИ - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

РГ - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в

капилляре, Па;

ρ - плотность исследуемой жидкости, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре, м (фиг. 2).

Объединив выражения (3) - (4) получим следующую формулу для определения коэффициента поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σэ эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения;

РЛ - давление Лапласа, Па;

РИ - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

РГ - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, м;

а - высота капли, м (фиг. 2);

r - внешний радиус капилляра, м (фиг. 2);

ρ - плотность исследуемой жидкости, кг/м3;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

h - высота подъема исследуемой жидкости в капилляре, м (фиг. 2).

Предлагаемый способ благодаря прямому измерению величины давления Лапласа РЛ сформированной капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью позволит свести расчет коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ к минимальным и элементарным математическим расчетам. Кроме того, для определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, которую используют в расчетах по определению коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, необходимо измерить только высоту сформированной капли а жидкости над горизонтальным верхним срезом капилляра, тем самым упрощая значительным образом процедуру измерения геометрических характеристик сформированной капли исследуемой жидкости. Такой подход при расчете коэффициента поверхностного натяжения жидкости а несомненно позволит снизить трудоемкость и повысить точность вычислений.

Источники информации:

1. Пат. РФ 2460987, МПК7 G01N 13/02. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения и угла смачивания/ М.А. Понамарева (РФ), В.А. Якутенок (РФ). - №2011122481/28; Заявлено 02.06.2011; Опубл. 10.09.2012, Бюл. №25. - 9 с.

2. Пат. UA 48429, МПК6 G01N 13/02. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения/ В.О. Горелов (UA), И.С. Кисель (UA). - №2001075192; Заявлено 20.07.2001; Опубл. 15.08.2002, Бюл. №8.

Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ, заключающийся в формировании на горизонтальном верхнем срезе капилляра капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью за счет подачи в сосуд с исследуемой жидкостью избыточного давления газа РИ и измерении высоты a сформированной капли исследуемой жидкости с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, отличающийся тем, что величину избыточного давления газа РИ контролируют во время подачи в сосуд с исследуемой жидкостью, а затем замеряют в момент сформирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра, соответствующий состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа РИ и суммой давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и гидростатического давления РГ столба исследуемой жидкости в капилляре, высоту сформированной капли а исследуемой жидкости измеряют над горизонтальным верхним срезом капилляра, а коэффициент поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и величине давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, равной разнице между избыточным контролируемым давлением газа РИ газа и гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости в капилляре с использованием следующей формулы:

где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σэ эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения;

РЛ - давление Лапласа, Па;

РИ - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па;

РГ - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па;

R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м;

а - высота сформированной капли, м;

r - внешний радиус капилляра, м.



 

Похожие патенты:

Устройство относится к измерительной технике для физических исследований свойств жидкостей. Устройство позволяет измерять поверхностное натяжение химически агрессивных расплавов тугоплавких веществ с высокими (больше 0,1 МПа) давлениями собственных паров над жидкой фазой, находящихся в инертной атмосфере.

Изобретение относится к области поверхностных явлений и предназначено для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Устройство формирования сферической поверхности жидкости для определения коэффициента поверхностного натяжения состоит из сосуда для исследуемой жидкости, плотно закрытого пробкой, в которую вертикально вставлен капилляр, нижний срез вертикально закрепленного капилляра погружен в исследуемую жидкость, а верхний срез капилляра расположен в горизонтальной плоскости, избыточное давление, создаваемое микропомпой и измеряемое микроманометром через дополнительный боковой отвод в сосуде, поднимает исследуемую жидкость по вертикальному капилляру до формирования капли со сферической поверхностью, измерение высоты капли со сферической поверхностью на верхнем горизонтальном срезе капилляра производится с помощью инструмента видеоконтроля.

Изобретение относится к области нефтяной геологии и может использоваться для определения смачиваемости нефтенасыщенных горных пород. Способ определения смачиваемости горных пород методом рентгеновской томографии керна включает изготовление из керна горных пород стандартных цилиндрических образцов, экстрагирование их от нефти и высушивание до стабилизации массы, последующее томографирование полученных сухих образцов с получением 2D-срезов, насыщение сухих образцов раствором йодида натрия и проведение повторного томографирования насыщенных образцов керна с получением 2D-срезов, затем, используя полученные при томографировании 2D-срезы, производят 3D-реконструкцию образцов путем сравнения указанных 3D-реконструкций для сухих и насыщенных образцов, определяя при этом поровые объемы указанных образцов, и определяют смачиваемость горной породы с использованием установленных поровых объемов образцов, в качестве раствора йодида натрия для насыщения сухих образцов используют раствор концентрацией 300 г/л и насыщение проводят под вакуумом в течение не менее 3 часов, при этом при проведении 3D-реконструкции образцов определяют поровый объем не всего образца, а только сердцевины образца на расстоянии 3-5 мм от верхнего и нижнего торцов образца и 5-6 мм от боковых сторон образца с использованием определенных при проведении 3D-реконструкции образцов их поровых объемов, далее рассчитывают показатель пропитки - К пропитки - как отношение разности объема пор между сухим V1 и насыщенным образцом V2 к объему пор в сухом образце V1 по следующей формуле: и по полученному значению показателя пропитки К пропитки судят о смачиваемости керна посредством установления категории его гидрофильности или гидрофобности.

Изобретение относится к способам определения термобарических параметров (температуры и давления) образования гидратов в многокомпонентной смеси типа нефтяных или природных газов.

Группа изобретений относится к технической физике, в частности к определению параметров металлических расплавов путем фотометрии силуэта лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава, и может быть использована в лабораторных исследованиях, на металлургических предприятиях, в вузах.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения содержания жиров в жидкости. В настоящем изобретении предлагается способ определения присутствия жиров в телесной жидкости путем фотографирования капли телесной жидкости и расчета изменения площади контакта капли телесной жидкости и коэффициента диффузии площади контакта.

Изобретение относится к области физико-химического анализа материалов, более конкретно к определению термодинамической активности (в дальнейшем активности) компонентов в поверхностном слое наночастицы, находящейся в матрице в бинарной системе в равновесных условиях.

Изобретение относится к области физико-химического анализа. Предложен способ определения состава поверхностного слоя двухкомпонентной наночастицы сферической формы в матрице, согласно которому с целью установления размерной зависимости состава поверхностного слоя наночастицы, сплав, содержащий наноразмерные частицы, подвергают термическому отжигу, определяют состав наночастицы и матрицы, а также средний радиус наночастицы.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для прогнозирования добычи углеводородов из продуктивного пласта. Предложен способ, который позволяет осуществлять определение смачиваемости с пространственным разрешением для пористых или других материалов.

Изобретение относится к технической физике, а именно к определению физических параметров металлических расплавов методом геометрии «большой капли», а именно путем измерения геометрических характеристик силуэта лежащей на подложке эллипсовидной капли расплавленного образца посредством фотообъемометрии.

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Способ определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости σ заключается в формировании на горизонтальном верхнем срезе капилляра капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью за счет подачи в сосуд с исследуемой жидкостью избыточного давления газа РИ и измерении высоты a сформированной капли исследуемой жидкости с целью определения радиуса кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, величину избыточного давления газа РИ контролируют во время подачи в сосуд с исследуемой жидкостью, а затем замеряют в момент сформирования капли исследуемой жидкости со сферической поверхностью на горизонтальном верхнем срезе капилляра, соответствующий состоянию равновесия между замеряемой величиной избыточного давления газа РИ и суммой давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и гидростатического давления РГ столба исследуемой жидкости в капилляре, высоту сформированной капли а исследуемой жидкости измеряют над горизонтальным верхним срезом капилляра, а коэффициент поверхностного натяжения σ капли исследуемой жидкости определяют по радиусу кривизны R сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости и величине давления Лапласа РЛ сферической поверхности сформированной капли исследуемой жидкости, равной разнице между избыточным контролируемым давлением газа РИ газа и гидростатическим давлением РГ столба исследуемой жидкости в капилляре с использованием формулы: где k - коэффициент, являющийся постоянной прибора, который определяется по измерению величины σэ эталонной жидкости с известным коэффициентом поверхностного натяжения; РЛ - давление Лапласа, Па; РИ - избыточное давление газа, подаваемое в сосуд с исследуемой жидкостью, Па; РГ - гидростатическое давление столба исследуемой жидкости в капилляре, Па; R - радиус кривизны сферической поверхности сформированной капли жидкости, м; а - высота сформированной капли, м; r - внешний радиус капилляра, м. Техническим результатом является разработка нового способа определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. 2 ил.

Наверх