Способ определения поверхностного натяжения жидкостей

 

ОПИСАНИЕ

H305PETEHH$l

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Сециалистическнх республик ои389386 (61)Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 0 0281 (21) 3279556/18-25 с присоединением заявки М(23) Приоритет

Опубликовано 150183. Бюллетень Йо 2

Дата опубликования описания 1503.83 (И)М Кл з

0 01 N 13/02

Государствеииый комитет

СССР ио делам изобретеиий и открытий (33} УДК 53 2. 612..3 (088.8) Х.Б. Хоконов и М.Б. Коков (72) Авторы изобретения

Кабардино-Балкарский государственный университет (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Klgp(oc TEA

-,- = fgh, 26

Изобретение относится к физико.-хи- мическому анализу материалов. Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле, осно вой которого является определение максимального давления, необходимого для выдавливания капли жидкости через строго вертикально поставленный капил-10 ляр. Способ пригоден для измерения поверхностного натяжения жидкости в условиях достаточно медленного образования капли и является статическим f 1) .

Наиболее близким к предлагаемому 15 является способ определения поверхностного натяжения жидкостей (2) методом максимального давления с использованием гравитационного прибора Пугачевича. Максимальное давление, которое необходимо для выдавливания капли плотностью Р. из капилляра радиуса г», определяют путем измерения высоты и жид кости по отношению к срезу капилляра.

Поверхностное натяжение g рассчитыва- 25 ют иэ соотношения где g — ускорение силы тяжести.

Недостатком этого способа является необходимость использования относительно большого. количества исходного вещества (не менее 10 м ) . Обусловлено это тем, что соотношение (l) справедливо только в том случае, когда поверхность выдавливаемой капли явля-. ется сферической с радиусом кривизны, равным радиусу капилляра. Эти условия выполняются для капилляров с достаточно малики радиусами выходных отверстий, что вызывает необходимость увеличения высоты жидкости над срезом капилляра, а следовательно, и ее ко» личества для создания максимального давления. При повторных измерениях наблюдается заметный разброс результатов, обусловленный допускаемой пог решностью определения максимальной; высоты жидкости, при которой происходит выдавливание капли. Кроме того, для жидкостей, обладающих высокой вязкостью,. метод максимального давления при такой реализации способа, мало пригоден.

Цель изобретения — экономия дорогостоящих материалов, повышение воспро" иэводимости результатов и .расширение круга исследуемых материалов °

989386

20

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу Ьпределения поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в капле, выцавливаемой из капилляра, максималь-, ное давление создают с помощью центробежных сил, при этом измеряют скорость вращения капилляра с жидкостью момент выдавливания капли, а искоую величину определяют по формуле б =----<-Цу ((R+ --У---- ) +

3>hr 2, r+ r

2 2

1 (2) где 9 — плотность, кг.м-З; 15

h — высота жидкости, м; г, — радиус кап илля ра, м;

Иу — скорость вращения, с-".;

R - расстояние от оси вращения до вертикаль ной ос и подвеса измерительной ячейки, м;

r и r< — расстояния от оси.под1 веса до плоскостей, ограничивающих жидкость в капилляре, му 25 ускорение силы тяжести, м с

Если привести вб вращение капилляр с жидкостью, то на жи) кость начинает действовать инерционное давление, при этом под действием центробежных сил З0 капилляр отклоняется от вертикали AA на определенный угол 9, причем кончик капилляра направлен в сторону, противоположную оси вращения. На жидкость в капилляре действуют две силы — центробежная и гравитационная, с учетом которых иэ соотношения (1) получаем расчетную формулу (2).

Под действием инерционных перегрузок часть жидкости, находящаяся выше уровня сливного окна, выходит из капилляра и устанавливается столбик жидкости, высота которого строго соответствует расстоянию между срезом капилляра и нижним срезом сливного окна.

При определенной скорости вращения . 45 центробежное давление на жидкость в капилляре уравновешивает избыточное давление, возникающее вследствие наличия искривленной поверхности капли, и жидкость выдавливается из капилля» 56 ра.

На фиг. 1 изображена измерительная ячейка, общий виду на фиг. 2 — схема размещения измерительной ячейки и ее электрических соединений; на фиг. 3 --55 схема установки измерительной ячейки.

Ячейка состоит из следукщих основных уэловг внешнего корпуса 1 в виде трубки, капилляра 2 со сливным окном

3 и выходным отверстием 4, контактной 40 площадки 5 с впаянными в нее молибде- новыми электродами б.

На некотором расстоянии от среза капилляра 2 на трубке имеется сливное окно 3 причем расстояние между ниж- ф5 ним 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 .отверсия 4 капилляра 2 во внешний корпус впаивают контактную площадку 5 с электродами 6.

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 соответственно к индикаторной лампе, блоку питания и потенциометру. Центрифужный стакан свободно подвешивается на горизонтальные плечи ротора-крестовины, что обеспечивает воэможность отклонения ста- кана с измерительной ячейкой от вертикальной оси подвеса под действием центробежных сил, на угол,до 90 . Перd воначально при заправке вся жидкость концентрируется в нижней части прибо" ра, если же отклонить ячейку от вертикали более чем на 90О, 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 иэ йапилляра, 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 с <) . ,,Рахим образом, зная скорость вра-, щения, при которой происходит выдавливание капли, рассчитывают поверхно- стное натяжение по формуле (2). 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- .

98 9386 Г а б л и ц а 1 т -Ф .Э -Я

Ш, г ° 10 о 10 с» . м Н м з

r ° 10 м

10 кг-м-

Tt К

4, 2730

4, 2730

4, 2728

4,2728

4, 2728

4, 2726

4, 2726

4, 2726

4,2726

4,6299

4,6299

4,6298

4,6298

4,6298 .4,6296

4,6296

4,6296

4, 6296

718,35

713, 24

7 06,73

704,51

700, 48

694,71

691, 28

687, 00

683,81

6,072

6,039

6,006

5,973

5,940

5,907

5,873 5,840

5,807

323

373

423

473

523

573

623

673

723

106, Ol

105,92

105,87

105,85

105,84

105,78

105,74

105,71

105,70 т уру, получают температурную зависимость поверхностного натяжения. Предлагаемьм способом измерено поверхностное натяжение жидких металлов индия, висмута и галлия. Разброс результатов при повФорнйх измерениях не превышает

5 10 Н м " ° При этом использовано не более 5-10 м9 исходного вещества.

Пример . Определение поверхностного натяжения жидкостей индия, .,галлия, висмута. 30

Первоначально производят термова куумную обработку измерительной ячейи при вакууме 19 68 м . заполняют е исследуемым металлом. Не нарушая герметичности, ячейку отпаивают от ва-15 куумного поста и помещают в стакан центрифуги. Производят заполнение ка:пиллярной трубки жидким металлом, причем уровень жидкости устанавливается ,Мыше уровня сливного окна 3. Расстоя" 20 ние от нижнего среза этого отверстия до кончика капилляра 2 и диаметр последнего измеряют на микроскопе УИМ-2 при сборке измерительного прибора.

Эти параметры капилляра измерительной 25 ячейки для жидкого индия равны h =

1,397 ° 10- -м и гк. = 5,251 "10 м.

Под действием центробежных сил металл, находящийся. над сливньм окном, выходит и, когда центробежное давление на жидкость достигает 21157 Н м ; капля. жидкого индия выдавливается из капилляра 2 и замыкает контакты на площадке 5, что фиксируется индикаторной лампой. При этом автоматическирегистрируется скорость вращения с помощью тахометра ЦАТ-2M, которая рав-. на 41,343 с-(. Из этих данных, используя расчетную,формулу (2), определяют поверхностное натяжение индия при температуре 453 Кг

h = 1,397 ° 10 му ш 41,343 с- .

r = 5,251 ° 10 му g = 9,804 м-с .1

R = 9,425 10 Mg г = 3,919-10 м; г4= 2,523,10 м; р = 6,997 10 xr м

0 = 0,555 Н м 4S

Аналогично проводят измерения поверхностного натяжения жидкого галлия.

Капилляр измерительного прибора имее радиус r .= 4,250 10 м и расстояние между срезом сливного окна и срезом капилляра h = 3,57 10 м, что соответствует высоте жидкости. Йзмерения проводятся при различных температурах в области 313 - 723 К. Величины R =

9,425i10" м и g = 9,804 м.с- являются постоянными. Расчет поверхностного натяжения галлия йроизводится по формуле (2) точно так же, как и для индия.

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-4.

Радиус капилляра измерительного при-.бора равен r < = 1,997 10 ъм, а рассто» янке между срезом сливного окна и койчиком капилляра h = 9,728 10 м. Значение остальных параметров, входящих в уравнение (2), и результаты. расчета поверхностного натяжения жидкого вис мута приведены в табл. 2.

Измерение поверхностного натяжения методом максимального давления; кото, рое создается при помощи центробежнык перегрузок,-приводит к значительной экономии дорогостоящих материалов.

:(опыты 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 конструк ции измерительного прибора в сравнении с приборами Пугачевича намного облегчает и упрощает их изготовление, к тому же процесс проведения измерения отличается своей простотой, а ре1зультаты — высокой воспронзводимостью;

989386

Таблица 2, f Ф

r -10

r -10 с- м м

1О- 3

Им у- 10 кг.м

Tl К

4,81995

4,81993

4,81991

4,81987

4,81984

3,84748

3,84747

3,84745

3,84741

3-,847395

372, 58

369 103

364,85

358,31

353,21

52.,75

52,64

52,44

52,12

51, 91

lO,015

9 961I

9,925

9,925

9,803

548

593

623

673

723

Формула изобретения

Способ определения поверхностноГо натяжения жидкостей методом максимального давления в капле, выдавливаемой иэ капилляра, отличающийся тем, что, с целью экономии дорогостоя.2р щнх материалов, повышения воспроизводимости результатов и расширения круга исследуемых материалов, максималь ное давление создают с помощью центробежных сйл, при этом измеряют угло- у5 вую скорость вращения капилляра с жид. костью в момент выдавливания капли, а искомую величину определяют по форму», ле

g t R+ a ) + 9/ 1, 3о

«Р) гк г + r<< 41/

2 где 9 — плотность, кг.м

-3. h — высота жидкости, и;

rq- радиус капилляра, м; Ф вЂ” скорость вращения, с у

R -„ расстояние от оси вращения да вертикальной оси подвеса измерительной ячейки, м;

r u r — расстояния от оси под1 веса до плоскостей, ограничи чивакщих жидкость в капилля. реу м1

g — ускорение силы тяжести, м.с-.;

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

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

В

2. Авторское свидетельство СССР

9 270340, кл. С Ol N 13/02, 1970 (прототип) . 98938б

Составитель С. Беловодченко

Техред М. Гер гель Корректор Г. Решетник

Редактор Т. Веселова

Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретения и открытий

113035, Москва, X-35, Раушская наб., д. 4/5

Эаказ 11113/60

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4