1.4.2. Метод измерения массы предмета в поверхностном слое жидкости

МетодВильгельми - уравновешивание тонкой пластинки, погруженной в жидкость, - один из наиболее точных методов определения поверхностного натяжения, не требующий введения каких-либо поправок, очень прост в использовании.

Наиболее распространенная схема установки для определения поверхностного натяжения этим методом приведена на рис. 1.7. Установка включает пластинку 1, частично погруженную в жидкость 2. Глубина погружения зависит от поверхностного натяжения жидкости. Сначала пластинку фиксируют на нулевомуровне отсчета измерительного устройства 3, в качестве которого используют электрические или торсионные весы. Затем с помощьюподъемного устройства 4 поднимают уровень жидкости в термостатируемом сосуде 5 до тех пор, пока она не коснется пластинки.

При контакте с жидкостью по периметру пластинки образуется мениск и пластинка втягивается в жидкость. Суммарная масса поднятой на высоту h жидкости, приходящаяся на единицу периметра пластинки, не зависит от формы мениска и при полном смачивании (краевой угол смачивания Q = 0) равна s. Если пластинку возвратить в исходное положение таким образом, что ее нижняя поверхность будет располагаться строго на уровне поверхности, то поверхностное натяжение можно рассчитать по уравнению

, (1.1.60)

где l и b- ширина и толщина пластинки.

С помощью весов фиксируется увеличение массы или определяется сила F, необходимая для уравновешивания пластинки при ее возвращении в начальное положение. Если нижняя часть пластинки находится ниже уровня жидкости на глубине H, то необходимо учитывать выталкивающую силу f=AHrg=lbHrg , где r - плотность жидкости; A - площадь поперечного сечения пластинки.

Для точного определения поверхностного натяжения следует с помощью катетометра измерить глубину погружения пластинки и расчет поверхностного натяжения провести по уравнению

(1. 1.61)

где DP- изменение массы пластинки вследствие втягивания ее в жидкость; H – глубина погружения пластинки; g – ускорение свободного падения.

В качестве погружаемого предмета используют тела различной формы, изготовленные из различных материалов: пластинки из тонкого стекла, платины, полимера; стержни круглого и треугольного сечения; проволочные рамки и каркасы разнообразной формы. В процессе измерения предметы погружают либо строго вертикально, либо (с целью повышения точности определения поверхностного натяжения) под определенным углом a. В последнем случае выталкивающая сила f, действующая на частично погруженный предмет периметром L, определяется по формуле

. (1. 1.62)

Измерение массы частично погруженного тела в установках, работающих на основании принципа Вильгельми, проводится с помощью различных устройств: торзионных весов, весов Кулона, кварцевых нитей или спиралей и др. Глубину погружения предмета в исследуемую жидкость чаще всего устанавливают с помощью микровинтов или измеряют катетометром.

Продолжительность существования поверхности раздела фаз при измерении поверхностного натяжения может быть установлена от нескольких секунд до нескольких минут. Точность измерения поверхностного натяжения по этому методу определяется погрешностью применяемых устройств, используемых для измерения массы или глубины погружения. Она зависит от того, насколько строго соблюдается при измерении состояние покоя исследуемой жидкости и заданное расположение предмета по отношению к поверхности раздела фаз. Современные приборы могут работать по принципу измерения массы тела при поддержании постоянства глубины погружения или измерения глубины погружения при постоянстве массы тела. Погрешность измерения составляет 0,5%. При использовании вторичных приборов, откалиброванных непосредственно в единицах поверхностного натяжения, измерение можно автоматизировать.