Метод отрыва кольца кратко
Обновлено: 05.07.2024
Для тонких капилляров радиус кривизны можно считать равным радиусу капилляра:
Метод максимального давления пузырька (метод Ребиндера)
Капилляр сообщается с атмосферным воздухом, поэтому внутри трубки поддерживается атмосферное давление P0.
Давление P над исследуемой жидкостью постепенно уменьшают с помощью водяного насоса. Разность давлений (Pо−P) стремится выдуть пузырек воздуха из капилляра в жидкость, но этому противодействует добавочное давление создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости в образующемся пузырьке радиуса r и направленное по касательной к поверхности раздела г-ж.
Наконец, при разности давлений (Pо−P), равной Pизб превышающей разность Pi,пл.–Pi,вог, из капиллярной трубки выдувается в жидкость воздушный пузырек.
Здесь неизвестен радиус r выдуваемого пузырька, измерить который крайне затруднительно. Поэтому прибегают к использованию эталонной жидкости, коэффициент поверхностного натяжения σo которой известен и близок к коэффициенту поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости. При этом полагают, что радиусы пузырьков, выдуваемых из одного и того же капилляра в обоих случаях будут одинаковы.
Разделив первое уравнение на второе и решив относительно σ получим формулу для вычисления поверхностного натяжения:
Сталагмометрический метод (метод счета капель)
Считают число капель (n), набирают в емкость и измеряют объем (V). Находят объем одной капли v.
где r — радиус шейки.
Т.к. радиус шейки посчитать сложно, проводят опыт с эталонной жидкостью.
Метод отрыва кольца (лаба по физике на первом курсе)
На поверхность исследуемой жидкости помещают кольцо или рамку. Если жидкость смачивает кольцо, то силы поверхностного натяжения F1 и F2, действующие на его наружную и внутреннюю поверхности диаметрами D и d, направлены внутрь жидкости:
Суммарная сила поверхностного натяжения равна:
Чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости, надо приложить направленную вверх силу F, которая скомпенсирует силу тяжести mg кольца и силу поверхностного натяжения Fσ:
Измерив с помощью динамометра силу отрыва кольца и зная массу и размеры кольца можно определить поверхностное натяжение жидкости:
Является основным методом определения поверхностного натяжения. Если в ГОСТах не указан метод определения, то использовался метод Дю Нуи или метод отрыва кольца.
Сущность метода вытекает из названия. Платиновое кольцо поднимают из жидкости, смачивающей его, усилие отрыва и есть сила поверхностного натяжения и может быть пересчитано в поверхностную энергию.
 | Чем выше поверхностное натяжение, тем труднее оторвать кольцо. Динамический метод т.к. связан с разрушением поверхности в момент отрыва кольца. Для чистых жидкостей этот метод хорошо подходит для растворов не очень, т.к. нужно ждать восстановления поверхности. Для определения поверхностного натяжения с переменным значением желательно применять другой метод. Поверхностное натяжение вычисляют используя калибровочные константы. |
Сила отрыва кольца будет равна:
Перед использованием кольцо обжигают, либо обрабатывают серной кислотой или хромовой смесью.
Это классический метод для определения поверхностного/межфазного натяжения, который основан на измерении максимального усилия (F) для отрыва кольца с известной геометрией (длиной смачивания, L), сделанного из хорошо смачиваемого материала (угол смачивания = 0°). При подъёме кольца жидкость стремится стечь с него, что приводит к постепенному утончению плёнки жидкости и отрыву кольца.
Сила межфазного натяжения рассчитывается на основе разницы между максимальным усилием (Fmax), приложенным для отрыва кольца, и силой гидростатического столба жидкости под кольцом (Fv). Данные для последней величины могут быть взяты из специальных таблиц (Харкинса-Джордана) или рассчитаны на основе разности плотностей фаз, геометрических данных кольца и высоты поднятия тонкого слоя жидкости. Краевой угол между жидкостью и стандартным кольцом равен нулю для большинства общеизвестных жидкостей (за исключением ртути).
 |
В настоящее время разделяют два метода кольца:
- метод отрыва кольца
- метод тонкой плёнки
Современные методы анализа показали, что максимальная нагрузка на весы (максимальное натяжение) фиксируется в момент, когда краевой угол смачивания равен 0°, при этом под кольцом образуется тонкая плёнка жидкости. В момент отрыва кольца плёнка жидкости истончается, и поверхностное / межфазное натяжение уже не максимально.
Современные тензиометры KRUSS по методу кольца позволяют несколько раз растянуть/сжать тонкий слой плёнки без обрыва и, на основе нескольких измерений, рассчитать среднее значение (метод тонкой плёнки). В этом случае может быть зафиксировано изменение поверхностного натяжения во времени. Так как во время измерения происходят небольшие изменения площади поверхности, то метод также называют "псевдостатическим" (частично статическим).
В явном виде метод отрыва кольца можно наблюдать в аналоговом тензиометре K6. В современных цифровых тензиометрах (кроме тензиометра K20S) метод отрыва кольца оставлен больше для сравнения, чем для исследований. В основе современных тензиометров серии K (K20, K11, K100) лежат цифровые весы, которые позволяют чувствовать малейшее изменение веса.
Основной недостаток метода кольца дью Нуи - необходимость вводить поправки на прикладываемую силу из-за дополнительного веса жидкости под кольцом. Вес жидкости под кольцом необходимо вычесть из максимально измеренной силы, чтобы получить истинную силу, прикладываемую к кольцу для его отрыва от поверхности. Кроме веса жидкости под кольцом необходимо учитывать, разницу внешнего и внутреннего диаметра кольца. Максимальная нагрузка, при которой угол смачивания равен 0°, достигается по-разному для внутренней и внешней стороны кольца.
- Метод Харкинса-Джордана
Харкинс и Джордан составили таблицу поправок для определения поверхностного натяжения разных материалов при разном диаметре кольца. Эти поправки вносят большую точность, но может встретиться жидкость, не вошедшая в таблицу, хотя на практике такие случаи редки. - Метод Зайдема-Уотерса
Поправки Зайдема-Уотерса необходимы для корректировки небольшого поверхностного натяжения. Для этой цели они провели интерполяцию данных Харкинса и Джордана, чтобы более точно рассчитать диапазон малых величин. Однако поправки Зайдема-Джордана имеют более широкий диапазон отклонений и должны использоваться только для сравнения с литературными данными. - Метод Хаша-Масона
Хаш и Масон использовали математические методы для увеличения диапазона применения поправок. Этот метод имеет самый большой диапазон охвата, обладающий значительной точностью. Многие выбирают его за стандарт, в том числе компания KRUSS.
 |
В методе пластины Вильгельми пластина (известных размеров) взаимодействует с поверхностью жидкости. При этом жидкость смачивает пластину вдоль вертикального контура. Стандартная пластина остается своим нижним краем на нулевом уровне (на уровне поверхности жидкости) на протяжении всего измерения. В этом случае нет необходимости вводить поправку на силу веса жидкости под пластиной, как в методе кольца. Дополнительным преимуществом метода пластины является то, что не надо знать плотности жидкости, а также то, что не происходит перемешивания фаз (пластина только касается жидкости).
Несмотря на все эти преимущества, метод кольца дает более точные результаты (выше прикладываемые силы), кроме того имеется много справочных данных для разных жидкостей.
Поверхностное натяжение рассчитывается на основании измеряемой силы (F), длины смачиваемой поверхности (L) и краевого угла смачивания ( ). Стандартные пластины выполняются из материалов, которые очень хорошо смачиваются, т.е. = 0°.
Метод Вильгельми реализован во всех цифровых тензиометрах серии К. Подходит для измерения поверх-ностного/ межфазного натяжения в диапазоне 5…100 мН/м.
Осторожно наливая чай в чашку или воду в стакан, иногда можно увидеть, что уровень воды немного выше края посуды. Как это получилось? Что это за чудо?
Свойство границы раздела между жидкостью и воздухом, находящимся в контакте с ее свободной поверхностью, в науке называют поверхностным натяжением. Поверхностно активные вещества (ПАВ) имеют очень низкий коэффициент поверхностного натяжения. Также они являются гидрофобными веществами, то есть очень слабо взаимодействуют с водой. Поверхностное натяжение обусловлено тем, что молекула жидкости на поверхности испытывает действие сил только соседних молекул, находящихся в контакте с ней, в то время как молекула внутри жидкости испытывает воздействие со всех сторон. Следовательно, молекула на поверхности испытывает воздействие результирующей силы, направленной ортогонально к свободной поверхности внутрь жидкости. Поэтому, для переноса молекул из глубины, необходимо затратить некоторую энергию [1].
В работах Б. Д. Сумма отмечается, что поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости [2. С.71].
Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами. В ряде случаев равновесие на поверхности может наступать в течение нескольких часов (например, в случае концентрированных растворов полимеров с высокой вязкостью). Динамические методы могут быть применены для определения равновесного поверхностного натяжения и динамического поверхностного натяжения.
Статические методы:
1. Метод поднятия в капилляре
2. Метод Вильгельми
3. Метод лежачей капли
4. Метод определения по форме висячей капли.
5. Метод вращающейся капли.
Динамические методы:
1. Метод дю Нуи (метод отрыва кольца).
2. Сталагмометрический, или метод счета капель.
3. Метод максимального давления пузырька.
4. Метод осциллирующей струи
5. Метод стоячих волн
6. Метод бегущих волн
Актуальность работы: Силы поверхностного натяжения играют важную роль в таких областях как металлургия, нефтедобыча, строительство и лакокрасочная промышленность. В металлургии они используются в качестве смазки прокатных станков и действуют при очень высоких температурах, при которых не имеется возможности использовать масло из-за его горючести. В строительстве ПАВ добавляют в цемент, что позволяет увеличить водостойкость, морозостойкость и прочность затвердевшего материала. В лакокрасочной промышленности ПАВ используют для снижения силы поверхностного натяжения, что позволяет краскам проникать в маленькие углубления поверхности и их заполнение с вытеснением при этом оттуда другого вещества (например, воды). В нефтедобыче ПАВ используют для гидрофобизации призабойных зон пласта, что позволяет увеличить нефтеотдачу и сократить потери нефти.
Цель исследования: обнаружить различие коэффициентов поверхностного натяжения у различных жидкостей.
Оборудование: установка для измерения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца, водопроводная вода, дистиллированная вода, спирт 90 %, виски 40 %, уксус 9 %, глицерин, солярка, касторовое масло, машинное масло, анилин.
Диаметр кольца, равный 0,111 м, одинаковый для всех экспериментов.
Ход работы: собрать установку для измерения поверхностного натяжения методом отрыва кольца, провести не менее 6 измерений для каждой жидкости, найти коэффициент по формуле (A=F/2 πd) и сравнить результаты. Метод отрыва кольца основан на измерении усилия, необходимого для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости.
Читайте также: