1.4.6. Метод измерения максимального давления в газовом пузырьке

Измерение максимального давления P_m в газовом пузырьке, образующемся из калиброванного отверстия в исследуемую жидкость, смачивающую материал капилляра(0<Q<90°) позволяет рассчитать поверхностное натяжение жидкостипо результатам определения давления в момент отрыва пузырька от капилляра или, в других вариантах метода, максимального давления, которое может быть создано в газовом пузырьке. Расчет поверхностного натяжения проводится по формуле

, (1.1.77)

где Dr – разность плотности газа в пузырьке и жидкости; h – глубина погружения капилляра в жидкость; r и Z – соответственно радиус кривизны мениска в вершине газового пузырька и расстояние от нее до плоскости среза нижнего конца строго вертикально установленного калиброванного капилляра в момент наибольшего давления. Считается, что радиус кривизны мениска равен радиусу капилляра.

Поскольку r и Z трудно определить, был предложен ряд уравнений для расчета поверхностного натяжения, среди которых наибольшее распространение нашла зависимость, предложенная Шредингером,

, (1.1.78)

где r₀ – радиус капилляра.

Прирасчет по этому уравнению обеспечивает систематическую погрешность не более 1% .

Метод измерения максимального давления в газовом пузырьке отличается простотой аппаратурного оформления и достаточно высокой точностью, найденное поверхностное натяжение не зависит от краевого угла смачивания жидкостью материала капилляра и от плотности жидкости, измерения проводятся каждый раз на вновь образованной поверхности, а испарение с нее исключается. Все это делает данный метод одним из наиболее распространенных. К недостаткам метода следует отнести необходимость учета при определении поверхностного натяжения гидростатического давления столба жидкости в капилляре. Поэтому необходимо либо помещать капилляр строго на поверхности, либо измерять глубину его погружения.

Впервые простой прибор для определения поверхностного натяжения по методу измерения максимального давления газовых пузырьков предложил академик П.А. Ребиндер. Схема такого прибора приведена на рис. 1.14. Разряжение в измерительной ячейке 2, в которую помещены калиброванный капилляр 3 и исследуемая жидкость 1, создается за счет истечения воды из сосуда 4. Давление, при котором отрывается пузырек, измеряется с помощью наклонного манометра 5. Изменяя угол наклона j манометра можно повышать точность измерения максимального давления при отрыве пузырька. При использовании стандартной жидкости можно исключить необходимость измерения радиуса капилляра прибора. Тогда .

Метод можно использовать как для чистых жидкостей, так и для растворов с высокой концентрацией растворенного вещества и вязкостью. Для исключения погрешности, связанной с измерением глубины погружения капилляра в исследуемую жидкость, используются измерительные ячейки с двумя капиллярами, впервые предложенные Сагденом. Один из капилляров должен иметь радиус не менее 2 мм, а второй около 0,1 мм. Расчет поверхностного натяжения проводиться по формуле Сагдена:

, (1.1.79)

где A – постоянная прибора; R₂ – радиус большого капилляра; P₁и P₂ – давление газа при отрыве газового пузырька соответственно из малого и большого капилляров.

Погрешность метода в такой модификации достигает 0,3%. Плотность жидкости не надо измерять с большой точностью, так как ошибка в измерении, равная 1%, приводит к погрешности в рассчитанном значении поверхностного натяжения всего 0,1%.

Метод максимального давления в газовом пузырьке дает возможность проводить измерения поверхностного натяжения в широком интервале времени образования поверхности — от нескольких десятых долей секунды до нескольких часов. Для больших временных интервалов образования газовых пузырьков требуется стабилизация давления и температуры, при которых ведутся измерения.