1.4.5. Методы, основанные на измерении максимального усилия отрыва
Поверхностное натяжение можно определить по максимальному усилию отрыва какого-либо предмета от жидкой поверхности.
Метод отрыва цилиндра или конуса (метод Пэдди) основан на определении усилия при отрыве. Принципиальная схема установки аналогична той, которая используется в методе Вильгельми. В этом случае определяется сила, превышающая массу цилиндра, точно равная массе жидкости, которая поднимается вместе с цилиндром или с конусом выше общего уровня жидкости, как показано на рис. 1.12. Эта сила для цилиндра может быть рассчитана по уравнению
, (1.1.73)
где R – радиус цилиндра; h – высота поднятия цилиндра в момент отрыва; r – плотность жидкости; j – угол смачивания, который соответствует краевому углу смачивания Q.
Рис. 1.12. Геометричесие соотношения мениска при отрыве цилиндра (а) и конуса (б) |
Для расчета поверхностного натяжения необходимо измерить не только силу отрыва, но и высоту подъема цилиндра в момент отрыва, а также (предварительно угол) смачивания материала цилиндра исследуемой жидкостью. Чтобы не делать этих измерений, при расчете можно использовать уравнение
, (1.1.74)
где 
.
При отрыве конуса требуется определять как высоту мениска H, так и глубину погружения конуса h относительно поверхности жидкости. Для расчета используют уравнение
. (1.1.75)
Третий член этого уравнения учитывает выталкивающую силу, возникающую при вытеснении жидкости.
Метод отрыва цилиндра или конуса позволяет определить поверхностное натяжение жидкостей с высокой точностью, что компенсирует сложность расчета и экспериментальные затруднения.
Метод отрыва кольца от свободной поверхности основан на измерении усилия F, прикладываемого для отрыва. Кроме колец могут применяться и другие, разнообразные по форме и размерам, тела, например рамки. Наибольшее распространение получили платиновые кольца (метод Дю-Нуи ). Расчет поверхностного натяжения в этом случае проводится по формуле, предполагающей полное смачивание кольца жидкостью:
, (1.1.76)
где Rк – радиус кольца, измеренный от его центра до осевой линии проволочки.
Сила отрыва зависит не только от формы предмета, поверхностного натяжения жидкости, но и от объема жидкости, оставшейся на нем после отрыва, плотности жидкости и окружающего газа (пара). Поэтому при точных измерениях необходимо вводить поправочные коэффициенты 
. Такие поправочные коэффициенты приведены в таблицах Гаркинса.
Устройство, реализующее метод отрыва кольца, состоит из упругой металлической нити 1 (рис. 1.13), натянутой горизонтально, к которой прикреплено коромысло 2 с крючком. На него навешивается платиновое кольцо 3.
Отрывающее усилие создается закручиванием упругой нити с помощью винта 4. При вращении винта указатель 5, соединенный с концом закручиваемой нити, перемещается по лимбу 6, шкала которого может быть проградуирована непосредственно в единицах поверхностного натяжения.
Для измерения силы, необходимой для отрыва кольца, кроме тензометра Дю-Нуи, могут использоваться другие чувствительные приборы, например крутильные весы, электрические весы и др.
|
|
Рис. 1.13. Схема прибора для измерения поверхностного натяжения методом отрыва кольца (а) и соотношение сил при отрыве кольца (б) | |
Для предупреждения повышенной погрешности определения поверхностного натяжения необходимо чтобы
· проволока кольца лежала строго горизонтально на поверхности жидкости;
· сосуд, в котором проводятся измерения, должен быть достаточно широким;
· кривизна свободной поверхности жидкости не влияла на форму поднимаемой кольцом жидкости;
· прибор был защищен от вибрации, создающей на поверхности жидкости волны;
· кольцо в процессе отрыва не перемещалось в горизонтальном направлении.
Для получения погрешности, не превышающей 0,1%, необходимо, чтобы угол наклона кольца не был более 0,47°.
С помощью приборов, основанных на принципе отрыва кольца, удается достигнуть погрешности не более 0,25%. В этой связи данный метод принят в качестве стандартного для определения поверхностного натяжения жидкостей на границе с газом (паром). Для растворов, где равновесие состава объем - поверхность устанавливается длительно, этот метод дает высокую погрешность.
Для снижения погрешности определения поверхностного натяжения необходимо тщательно следить за чистотой кольца, так как обновления поверхности в этом методе не проводят. Обычно перед измерением кольцо промывают хромовой смесью или обжигают на спиртовке. Если не проводить такие подготовительные операции, то адсорбция поверхностно-активных веществ может приводить к изменению краевого угла смачивания, а следовательно к занижению измеренных значений поверхностного натяжения.