СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
METHOD OF DEFINING FLUID SURFACE TENSION

Изобретение относится к области технических измерений, в частности к способам определения поверхностного натяжения жидких сред, и может быть использовано при изучении процессов проникновения жидкостей в поры и их вытеснения из пор, что, в свою очередь, играет важную роль при интенсификации процессов пропитки, фильтрации, сушки и т.д.
Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей (Физический практикум. Механика и молекулярная физика: Под ред. В.И.Ивероновой. - М.: Наука, 1967. - С.240-244), включающий погружение в анализируемую жидкость нижних концов двух вертикально расположенных капилляров, имеющих разные внутренние диаметры, измерение разности положений менисков жидкости в двух капиллярах и расчет поверхностного натяжения.
Недостатком данного способа является недостаточная точность измерений, связанная с трудностью очистки внутренних стенок капилляров, с трудностью измерения внутренних диаметров капилляров и невозможностью обеспечить равенство внутренних диаметров капилляров на всем их протяжении.
Известен способ определения поверхностного натяжения жидкостей (SU №1753368, G01N 13/02, 1992), включающий измерение высоты капиллярного поднятия, т.е. расстояния между линией трехфазного периметра смачивания и вершиной мениска жидкости в капилляре, определение капиллярной постоянной на основании численного решения основного уравнения капиллярности и расчет поверхностного натяжения.
Недостатком данного способа является большая длительность измерения и необходимость использования катетометра для наблюдения положения вершины мениска жидкости в капилляре.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения поверхностного натяжения жидкостей (Джейкок М., Парфит Дж. Химия поверхностей раздела фаз: Пер. с англ. под ред. А.П.Карнаухова. - М.: Мир, 1984. - С.44-48), включающий погружение нижнего конца вертикально расположенного капилляра в анализируемую жидкость, измерение высоты капиллярного поднятия жидкости и расчет ее поверхностного натяжения.
Недостатком такого способа определения поверхностного натяжения жидких сред является малая точность и информативность, а также необходимость использования катетометра для наблюдения положения вершины мениска жидкости в капилляре.
Задачей изобретения является создание простого способа определения поверхностного натяжения жидких сред, обладающего повышенной точностью и информативностью.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и информативности измерений с одновременным упрощением процесса определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.
Технический результат достигается тем, что в способе определения поверхностного натяжения жидкости, включающем погружение нижнего конца вертикально расположенного капилляра в анализируемую жидкость и измерение высоты капиллярного поднятия жидкости,
m
n
m
n
m
n
m
n
дополнительно согласно изобретению производят измерение разностей высот подъема жидкости (h-h) для двух или нескольких вертикальных сечений в образованном двумя сходящимися плоскими поверхностями плоском щелевом капилляре, ширина которого в вертикальном сечении постоянна по высоте, а в горизонтальной плоскости сечения изменяется от 0 до d при длине капилляра, равной х, причем х>>d, при этом высоты подъема жидкости h и h соответствуют вертикальным сечениям капилляра, отстоящим по горизонтали от вертикального сечения капилляра с нулевой шириной на расстояния, равные соответственно х и х, а ширина капилляра в этих сечениях равна соответственно d и d, где m=1, 2, 3…, n=1, 2, 3… - номера соответствующих вертикальных сечений капилляра (n≠m), а значение поверхностного натяжения α определяют по формуле:
3
2
m
n
m
n
где α - поверхностное натяжение жидкости, Н/м; ρ - плотность жидкости, кг/м; g - ускорение свободного падения, м/с; (h-h) - разность высот капиллярного поднятия, соответствующая вертикальным сечениям капилляра, отстоящим по горизонтали от сечения капилляра с нулевой шириной на расстояния, равные соответственно х и х, м; d - калиброванное значение ширины капилляра, соответствующее вертикальному сечению, отстоящему по горизонтали от сечения капилляра нулевой ширины на расстояние х, м.
На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения поверхностного натяжения жидкости.
На чертеже обозначены: 1 и 2 - стеклянные пластинки, образующие плоский щелевой капилляр, 3 - отрезок калиброванной проволоки, задающий ширину раскрытия капилляра; 4 - сосуд с исследуемой жидкостью; 5 - линия трехфазного периметра смачивания плоского капилляра; 6 - участок местного загрязнения поверхности стекла капилляра.
Устройство представляет собой капилляр, состоящий из двух плоских прямоугольных стеклянных пластинок 1 и 2, сложенных вместе по стороне ОО'. Параллельно стороне OO', на расстоянии х от нее, между стеклянными пластинками 1 и 2 размещается, например, отрезок калиброванной проволоки 3, задающий ширину капилляра в этом сечении. Между двумя сходящимися плоскими поверхностями стеклянных пластинок 1 и 2 образуется плоский щелевой капилляр, ширина которого в вертикальном сечении постоянна по высоте, а в горизонтальной плоскости сечения при длине капилляра, равной х, изменяется от 0 до d, причем х>>d.
Способ определения поверхностного натяжения жидкости реализуется на установке следующим образом.
Описанный плоский щелевой капилляр устанавливают вертикально по отвесу над поверхностью жидкости, а затем его нижний конец погружают в пробу анализируемой жидкости, размещенную в сосуде 4. При этом глубина погружения нижнего конца капилляра при всех манипуляциях остается постоянной и составляет приблизительно 0,5 мм, что обеспечивается механической конструкцией установки. Анализируемая жидкость перемещается во внутренней полости плоского капилляра за счет эффекта капиллярного поднятия. После того как процесс капиллярного поднятия закончится и столбик жидкости установится неподвижно, линия трехфазного периметра смачивания образует хорошо заметную линию, плавно падающую в направлении увеличения ширины капилляра, - это экспериментально полученная зависимость высоты подъема жидкости от ширины капилляра.
После этого по шкале, нанесенной на верхней пластинке или расположенной за стеклянными пластинками и представляющей собой сетку взаимно перпендикулярных линий, хорошо видных на просвет, отсчитывают значения высот капиллярного поднятия, которые соответствуют двум или нескольким вертикальным сечениям капилляра, расположенным на известном расстоянии от начала отсчета.
1
2
1
2
Известно выражение для нахождения коэффициента поверхностного натяжения α по измеренному значению разности высот подъема жидкости (h-h) в двух круглых капиллярах, диаметры которых равны соответственно d' и d'. Оно записывается как:
Здесь ρ - плотность жидкости, g - ускорение силы тяжести.
1
2
Для двух плоских капилляров, ширина которых равна соответственно d и d, выражение, аналогичное (1), можно записать в виде:
Из подобия треугольников, образованных внутренними поверхностями стеклянных пластинок 1 и 2 с вершиной в точке О (см. чертеж), можно записать выражение равенства отношений их катетов:
; ;
Из этих отношений можно выразить значения ширины плоского капилляра для двух интересующих сечений:
; ;
Подставив найденные значения ширины плоского капилляра для двух интересующих сечений в выражение (2), получают выражение (3) для нахождения коэффициента поверхностного натяжения α:
1
2
1
2
В это выражение входят значения расстояний x и х, это расстояния от вертикального сечения капилляра с нулевой шириной до сечений капилляра с шириной, соответственно равной d и d.
m
n
m
n
m
n
m
n
В общем виде, с учетом того, что на основе одной линии трехфазного периметра смачивания можно провести серию измерений разностей высот капиллярного поднятия (h-h) для различных вертикальных сечений капилляра, при этом высоты подъема жидкости h и h соответствуют вертикальным сечениям капилляра, отстоящим по горизонтали от вертикального сечения капилляра с нулевой шириной на расстояния, равные соответственно х и х, а ширина капилляра в этих сечениях равна соответственно d и d, где m=1, 2, 3…, n=1, 2, 3… - номера соответствующих вертикальных сечений капилляра (n≠m), значение поверхностного натяжения α определяется по формуле:
m
n
По формуле (4) с учетом найденных значений разности высот капиллярного поднятия (h-h), плотности жидкости ρ, калиброванной внутренней ширины капилляра d и расстояний между принимаемыми в расчет вертикальными сечениями плоского капилляра вычисляют значение поверхностного натяжения анализируемой жидкости. Продолжительность одного анализа составляет 3-4 мин.
На чертеже изображен обведенный кружком участок 6 полученной зависимости высоты подъема жидкости от ширины капилляра. В случае загрязнения поверхности стекла капилляра, в месте загрязнения изменяется значение коэффициента поверхностного натяжения, а следовательно, изменяется и высота подъема жидкости, что служит причиной появления дополнительной погрешности измерений. В круглых капиллярах чистота стенок достигается вследствие сложного процесса очистки, и его результат не может быть проконтролирован. В разборном плоском капилляре, реализующем предлагаемый способ, очистка стенок от загрязнений выполняется гораздо проще и может быть проконтролирована. Экспериментально получаемая зависимость высоты подъема жидкости от ширины капилляра представляет собой плавную кривую 5. В случае местного загрязнения поверхности стекла капилляра, в месте загрязнения изменяется значение коэффициента поверхностного натяжения, и кривая теряет свою плавность и непрерывность, как на обведенном кружком участке 6 чертежа. В таком случае оператор либо повторяет процесс очистки поверхности стекла капилляра либо использует при вычислениях поверхностного натяжения α только данные, полученные на плавных участках экспериментальной кривой.
Преимуществами предлагаемого способа являются повышение точности и информативности измерений с одновременным упрощением процесса определения поверхностного натяжения жидкости.
m
n
m
n
m
n
Повышение точности измерений поверхностного натяжения жидкости при реализации способа достигается тем, что, из-за трудности точного определения высоты капиллярного поднятия в способе-прототипе, предлагается использовать дифференциальный метод, при котором измеряется разность высот подъема жидкости (h-h) для разных вертикальных сечений плоского капилляра, отстоящих по горизонтали от вертикального сечения капилляра с нулевой шириной на расстояния, равные соответственно х и х. Повышение точности измерений достигается также за счет того, что вместо измеряемого с малой точностью значения внутреннего диаметра цилиндрического капилляра при вычислениях α используется задаваемая с большой точностью ширина плоского капилляра х (при помощи калиброванной проволоки), а расстояния между вертикальными сечениями капилляра х и х также могут быть измерены с большой точностью. Кроме того, на полученной в результате однократного измерения линии трехфазного периметра смачивания может быть проведена целая серия вычислений α в разных сечениях плоского капилляра, при этом повышение точности измерений достигается за счет статистической обработки результатов измерений.
Повышение информативности измерений достигается за счет того, что в результате проведенного измерения получается хорошо заметная линия трехфазного периметра смачивания, образующая линию, плавно падающую в направлении увеличения ширины капилляра, - это экспериментально полученная зависимость высоты подъема жидкости от ширины капилляра, несущая дополнительную информацию, которая может быть использована.
Упрощение процесса определения поверхностного натяжения жидкости обеспечивается за счет того, что при реализации способа отпадает необходимость использования катетометра для наблюдения положения вершины мениска жидкости в капилляре.
При этом также обеспечивается экспрессность определения α за счет высокой скорости проведения анализа жидкости.
Предлагаемый способ может найти применение в практике заводских лабораторий химических и нефтеперерабатывающих предприятий, в лабораториях нефтебаз, а также в лабораториях научно-исследовательских организаций.