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 Wк и работой адгезии Wа . 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 Wк – 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
Wк = 2sЖ-Г, (9.12)
где Wк – работа когезии, Дж/м2;
sЖ-Г – поверхностное натяжение на границе раздела
жидкость – газ, Дж/м2.
При разрыве твердого тела на две части работа когезии соответственно равна
Wк = 2sТ-Г, (9.13)
где sТ-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 Wa – 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 sЖ1- Ж2. После разрыва исчезла граница раздела фаз ж1-ж2, но появились две новые площади поверхности, которые характеризуются поверхностным натяжением sЖ1- Г и sЖ2 - Г.
Очевидно, что работу адгезии можно рассчитать по формуле
Wa = sЖ1- Г + sЖ2 - Г – sЖ1- Ж2 (9.14)
Это выражение называется уравнением Дюпре.
По аналогии при отрыве жидкости от твердой поверхности совершается работа адгезии, равная:
Wa = sЖ - Г + sТ - Г – sТ - 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 Wапрактически 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.