Поверхностное и межфазное натяжение

Поверхностное натяжение является одной из фундаментальных характеристик. Возникновение поверхностного натяжения обусловлено тем обстоятельством, что молекулы вещества, находящегося на границе раздела фаз (газ - жидкость, жидкость - жидкость, жидкость - твёрдое тело), обладают избыточной энергией по сравнению с молекулами, находящимися в объеме фаз.

В пределах тензиометра эта сила измеряется высокоточной системой взвешивания и, следовательно, может быть рассчитано поверхностное натяжение жидкости.

Используя тензиометр, межфазное натяжение между двумя жидкостями можно измерить с помощью испытуемого тела. Поскольку тензометрия основана на измерениях силы, то (в отличие от оптического анализа подвесных капель) не обязательно, чтобы одна из жидкостей была прозрачной или показатель преломления отличался между двумя жидкостями. Поэтому тензометрия во многих случаях является удобной альтернативой оптическому измерению поверхностных и межфазных напряжений.

Используя тензиометр, межфазное натяжение между двумя жидкостями можно измерить с помощью испытуемого тела. Поскольку тензиометрия основана на измерениях силы, то (в отличие от оптического анализа подвесных капель) не обязательно, чтобы одна из жидкостей была прозрачной или показатель преломления отличался между двумя жидкостями. Поэтому тензиометрия во многих случаях является удобной альтернативой оптическому измерению поверхностных и межфазных напряжений.

Методы определения поверхностного натяжения

Существуют два типа методов определения поверхностного натяжения: статические и динамические.

Динамические методы, например метод колебания струи, вытекающей из отверстия неправильной формы, позволяют измерить поверхностное натяжение вновь образованной поверхности сразу после ее образования. Статическими методами измеряют поверхностное натяжение на границе раздела фаз, пришедших в равновесие. Если равновесие между фазами устанавливается достаточно быстро, то статическое поверхностное натяжение можно измерить достаточно просто. Если же равновесие устанавливается за очень длительный промежуток времени, особенно при переходе одного из компонентов системы через границу раздела фаз, то ни один из методов не дает истинного значения равновесного поверхностного натяжения. В этом случае говорят о полустатических значениях поверхностного натяжения и в обязательном порядке следует оговаривать продолжительность образования новой поверхности раздела фаз.

Наибольшее распространение получили следующие методы определения поверхностного натяжения жидких межфазовых границ:

• метод измерения массы или глубины погружения предмета в исследуемую жидкость (метод Вильгельми);
• метод измерения усилия отрыва предмета от поверхности раздела фаз (отрыва цилиндра - метод Падди, отрыва кольца - метод Дю-Нуи);
• метод измерения капиллярного поднятия жидкости;
• метод измерения максимального давления в пузырьке газа или капле жидкости (метод Шредингера).

Метод кольца Дью-Нуи

В основе метода отрыва кольца лежит измерение усилия, необходимого для отрыва проволочного кольца от поверхности жидкости. Вместе с кольцом поднимается некоторое количество смачивающей его жидкости. Отрыв кольца происходит в тот момент, когда сила поверхностного натяжения, удерживающая кольцо, и вес поднятой жидкости уравновешиваются. Максимальное усилие отрыва кольца измеряют при помощи тензиометра.

Метод  Дью-Нуи является одним из наиболее распространенных методов определения поверхностного натяжения жидкостей. Связь поверхностного натяжения с силой F, необходимой для отрыва от поверхности жидкости тонкого кольца радиуса R, хорошо смачиваемого жидкостью (краевой угол смачивания θ = 0 град ), описывается выражением:

где величина k зависит от соотношения радиуса кольца и толщины проволоки, из которой оно сделано, а также от поверхностного натяжения жидкости.

Метод пластины Вильгельми

Метод пластины Вильгельми - это хорошо зарекомендовавший себя метод определения поверхностных и межфазных напряжений с помощью тензиометра. Метод использует пластину Вильгельми как тестовое тело. Обычно она изготовлена из сплава иридия и платины, и имеет несколько сантиметров в длину и высоту. Пластина прикреплена к весовой системе тензиометра и расположена на поверхности жидкости таким образом, что образуется жидкая пластинка. Измеряется гравитационная сила ламели, которая равна перпендикулярной части растягивающей силы, вызванной поверхностным натяжением.

Вместе с определением поверхностного натяжения как растягивающей силы на длину контактной линии это дает уравнение Вильгельми:

Для измерения поверхностного натяжения мы предлагаем тензиометры Surface Electro Optics (Южная Корея)

По материалам:
http://www.xumuk.ru/colloidchem/19.html
https://www.dataphysics-instruments.com/products/dcat/