УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ

Полезная модель относится к технической физике и может найти применение в текстильной промышленности, например для определения коэффициента диффузии красителя.
Известен интерференционный метод Гуи (Робинсон Р., Стокс. Р. Растворы электролитов. Пер. с англ. Под ред. акад. Фрумкина А.Н. М.: Изд. Иностранной литературы, 1963 г. с.315-325), основанный на интерферометрическом измерении градиента показателя преломления. В данном методе используются ячейки, в которых в начальный момент времени между столбами жидкости с разной концентрацией создается резкая граница, что приводит к скачкообразному изменению коэффициента преломления. В процессе диффузии граница превращается в область с постепенно меняющимся коэффициентом преломления. Ячейка освещается коллимированным пучком света из горизонтальной щели, при этом в фокальной плоскости линзы, установленной за ячейкой, наблюдается интерференционная картина, состоящая из горизонтальных полос. Полученная интерференционная картина расшифровывается и по расчетным формулам из работы [(Робинсон Р., Стокс. Р. Растворы электролитов. Пер. с англ. Под ред. акад. Фрумкина А.Н. М.: Изд. Иностранной литературы, 1963 г. с.320] определяется значение коэффициента диффузии. Данное техническое решение взято в качестве прототипа.
Недостатки прототипа:
1) Метод Гуи неприменим в случае, если раствор поглощает свет в области длин волн, используемых в эксперименте (непрозрачный раствор).
2) Необходимость точной юстировки элементов установки для получения четкой интерференционной картины, а также сложная расшифровка интерференционной картины.
3) Сложность конструкции.
Задачей создания полезной модели является разработка простой конструкции установки для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле полезной модели таких как установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов, содержащая последовательно установленные на оптической оси источник света, плоскопараллельную вертикальную ячейку и устройство регистрации изображения, и отличительных существенных признаков, таких как источник света выполнен в виде куба из светорассеивающего материала, освещаемого лампами с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения используют цифровой фотоаппарат.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение процесса измерений и конструкции установки для его реализации, возможность определения коэффициента диффузии в растворах, поглощающих свет в области длин волн, используемых в эксперименте.
Полезная модель иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 приведена схема установки; На фиг.2 приведены фотографии ячейки с раствором; На фиг.3 - схематично отражены начальные условия в ячейке.
Установка для определения коэффициента диффузии окрашенных растворов (фиг.1) содержит последовательно установленные на оптической оси источник света 1, плоскопараллельную вертикальную ячейку 2 и устройство регистрации изображения 3. Источник света 1 выполнен в виде куба из светорассеивающего материала(например, фотокуб), освещаемого лампами 4, 5 с боковых граней, а в качестве устройства регистрации изображения 3 используют цифровой фотоаппарат.
Пример осуществления способа.
Предлагаемой установкой реализуется способ измерения коэффициента диффузии, который основан на измерении концентрации по коэффициенту пропускания плоскопараллельной вертикальной ячейки с раствором (при этом ячейка может освещаться рассеянным светом (см. фиг.1).
Для измерения коэффициента пропускания раствора исследуемого вещества используется цифровой фотоаппарат 3. Коэффициент пропускания η раствора заданной концентрации вычисляется как отношение яркости изображения ячейки с раствором к яркости фона (относительная яркость).
Для определения концентрации раствора по измеренному значению относительной яркости предварительно строится градуировочная зависимость. Для этого в ячейку 2 по очереди заливаются растворы исследуемого вещества известных концентраций и измеряется их относительная яркость.
-5
2
Для измерения коэффициента диффузии в ячейку 2 по очереди в равных объемах заливается растворитель и раствор заданной концентрации, для погашения гравитационной конвекции сначала заливается более тяжелый компонент (см. фиг.3). На временах, пока значительные изменения концентрации не достигли границ ячейки (например, для ячейки с размером 5 см и при коэффициенте диффузии порядка 10 см/с это время составляет более 10 часов), можно считать, что поведение концентрации в ячейке описывается уравнением Фика со следующими граничными условиями:
1
C(x=+∞)=C,
2
С(x=-∞)=С,
1
2
где С - концентрация на расстоянии x от середины ячейки через время t после начала процесса диффузии, С - начальная концентрация в верхней половине кюветы, С - начальная концентрация в нижней половине кюветы, D - коэффициент диффузии.
Решение этой граничной задачи имеет вид [1]:
где
-5
2
Через время t после начала процесса диффузии (4-5 часов при D порядка 10 см/с и при размере ячейки 5 см) производится фотографирование ячейки. На расстоянии х (несколько миллиметров) от середины ячейки по цифровому изображению определяется среднее по координате z (см. фиг.4) значение относительной яркости. По градуировочной зависимости определяется значение концентрации. Решение уравнения (2) относительно D дает значение коэффициента диффузии.
Пример использования установки.
1. Получение градуировочной зависимости относительной яркости раствора от его концентрации
1.1. В вертикально распложенную плоскопараллельную ячейку, установленную напротив одной из граней светорассеивающего куба, заливается однородный окрашенный раствор известной концентрации.
1.2. Производится фотографирование ячейки.
1.3. По цифровой фотографии определяют отношение средней яркости раствора к средней яркости фона.
1.4. Этапы 1.1-1.3 повторяются для различных значений концентраций, таким образом, строится градуировочная зависимость.
2. Измерение коэффициента диффузии
2.1. В вертикально расположенную плоскопараллельную ячейку, установленную напротив одной из граней светорассеивающего куба по очереди в равных объемах заливаются растворитель и раствор известной концентрации. Для погашения гравитационной конвекции сначала заливается более тяжелый компонент.
-5
2
2.2. Через время t (4-5 часов при D порядка 10 см/с и при размере ячейки 5 см) производится фотографирование ячейки.
2.3. На расстоянии z (2-3 мм) от центра ячейки по цифровой фотографии определяется среднее по координате z (см. фиг.3) значение относительной яркости раствора.
2.4. По значению относительной яркости раствора с помощью градуировочной зависимости определяют значение концентрации раствора.
Решая нелинейное уравнение (2) относительно неизвестного D, находим значение коэффициента диффузии D.
-5
2
-5
2
Данным способом на установке были определены коэффициенты диффузии бытового красного тканевого красителя в воде и в 1% водном растворе хлорида натрия при температуре 23°С и среднем значении массовой концентрации красителя 0,5%, значение коэффициентов составили 0,16·10 см/с и 0,4·10 см/с соответственно.
Хотя настоящая полезная модель описана посредством примеров ее выполнения, объем данной полезной модели не ограничивается этими примерами, но определяется лишь формулой полезной модели с учетом возможных эквивалентов.