Исследование динамического поверхностного натяжения водных растворов поверхностно-активных веществ
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
?ходит достаточно медленно, т.е. его можно считать квазистационарным, пузырек должен отрываться в тот момент, когда его радиус на бесконечно малую величину превысит радиус капилляра. На практике часто приходится сталкиваться со случаями, когда подобная квазистационарность не достигается. При этом отрыв пузырька происходит несколько позже, чем при квазистационарном течении процесса. Получающаяся разница во времени носит название мертвого времени. Оценка показывает, что реально необходимо учитывать мертвое время лишь при очень малых временах жизни пузырька (порядка нескольких миллисекунд). В этих случаях мертвое время может достигать нескольких процентов от времени жизни пузырька. При больших временах жизни поверхности процентный вклад мертвого времени становится тем меньшим, чем больше время жизни пузырька, т.е. чем ближе процесс формирования пузырька к квазистационарному. В данной работе времена жизни пузырька достаточно велики, что освобождает от необходимости принимать во внимание мертвое время.
Обычно при измерении поверхностного натяжения методом максимального давления в пузырьке необходимо учитывать гидростатическое давление столба жидкости над пузырьком. В данной работе для измерения динамического поверхностного натяжения использовался прибор, предложенный П.П. Пугачевичем и позволяющий не учитывать гидростатическое давление. Его схема приведена на рис. 1.
Рассмотрим принцип работы газового прибора Пугачевича. Пусть исследуемая жидкость смачивает стенки капилляра и в начальный момент давление во всех его частях одинаково и равно Р, рис. 1а. Манометрическая трубка 1 имеет настолько большой диаметр, что капиллярным поднятием в ней можно пренебречь. Уровни жидкости в трубках 2 и 4 и в резервуаре 3 будут находиться на высотах h1, h2, h3 соответственно (благодаря капиллярному поднятию). С ростом давления в трубках 1, 2 и 4 уровни жидкости в них начнут опускаться, а в резервуаре 3 - подниматься. На рис.1б указаны уровни жидкости в приборе при достижении в газовом пузырьке максимального давления Pmax. Здесь: h2 - высота, обусловленная капиллярным поднятием в резервуаре 3; h4 - высота, связанная с вытеснением жидкости формирующимся пузырьком; (h5+h6) - высота, на которой находился бы уровень жидкости в резервуаре 3, если бы он имел конечно большой диаметр.
Таким образом, для трубки 1 можно записать:
, (13)
где g - ускорение свободного падения; ? - плотность жидкости; - член, учитывающий капиллярное поднятие в резервуаре 3.
Для манометрической трубки 2:
, (14)
где Рk - член, связанный с капиллярным поднятием в трубке 2.
Для максимального давления в газовом пузырьке можно записать:
, (15)
где Р? - капиллярное давление в трубке 4.
При сравнении уравнений (13) и (14) получается выражение для трубки 1:
, (16)
а для узкой манометрической трубки 2 из уравнений (14) и (15) имеем:
(17)
Рис.1а
Рис.1б
Рис. 1 Принципиальная схема газового прибора Пугачевича.
Таким образом, применение узких манометрических трубок вызывает необходимость учитывать капиллярное поднятие в них, поэтому удобнее применять широкие манометрические трубки и для расчета поверхностного натяжения пользоваться уравнением (16). Для узких капиллярных трубок справедливо следующее соотношение:
(18)
Тогда из уравнения (16) можно найти поверхностное натяжение жидкости по уравнению:
(19)
В данной работе для вычисления поверхностного натяжения используется приближение Кантора, согласно которому:
(20)
Отсюда видно, что при применении прибора Пугачевича не требуется учитывать глубину погружения капилляра в жидкость, изменение уровня жидкости в резервуаре (в который погружен капилляр), обусловленное формированием пузырька и капиллярным поднятием в этом резервуаре. Для измерения поверхностного натяжения с помощью прибора Пугачевича достаточно измерить h5, т.е. расстояние от торца капилляра до уровня жидкости в манометрической трубке в момент отрыва пузырька. Кроме простоты измерений, такой прибор дает возможность работать в сложных экспериментальных условиях - при любой температуре, давлениях, в атмосфере инертных газов. Прибор Пугачевича, использованный в данной работе, изображен на рис. 2.
В данной работе динамическое поверхностное натяжение измерялось с помощью установки, изображенной на рис. 3. С целью уменьшения влияния посторонних вибраций на рабочую часть установки - газовый прибор ГАЗП-1КТ конструкции П.П. Пугачевича - в капитальную стену 1 были вмонтированы два металлических уголка 2, на которых помещалась противовибрационная подвеска, состоящая из резинового буфера (использовались теннисные шары) 3, и свободно лежащей на ней массивной плиты 4. К плите в режиме свободной подвески на металлическом стержне 5 крепилась дюралюминиевая рамка 6, к которой был присоединен газовый прибор Пугачевича 7. Прибор помещался в термостатированный объем 8, изготовленный из органического стекла. Контроль температуры осуществлялся двумя термометрами 11. В качестве газа, создающего нужное давление для формирования пузырька, использовался гелий, который не растворяется и не адсорбируется на поверхности водного раствора, что особенно существенно при повышении давления. Газ поступает из баллона 13 под давлением 40 кгс/см2. Давление на выходе из баллона контролируется манометром 18. С помощью газового редуктора 14 и контроли