Методы определения поверхностного натяжения по дисциплине «Физика нефтяного и газового пласта»

Осн. методы измерения следующие:
1) подъем смачивающих жидкостей в капиллярах.
2) Измерение макс. давления в газовом пузырьке (метод Ребиндера)
3) Метод взвешивания капель (сталагмометрия)
4) Метод уравновешивания пластины (метод Вильгельми).
5) Метод отрыва кольца (метод Дю Нуи)
6) Метод сидящей капли
8) Метод вращающейся капли. [2] стр. 1-3
Поверхностное натяжение является определяющим фактором мн. технол. процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости.
1. Капиллярный метод. Метод основан на использовании соотношения


h = 2σ/(ρgR) = 2σcosθ/(ρgr),


Пусть жидкость полностью смачивает стенки капилляра. Мениск ее в этом случае имеет форму полусферы (рис. 1) радиусом, равным радиусу канала капилляра r.Тогда непосредственно под вогнутым мениском (в точке А) давление жидкости будет меньше атмосферного давления р0 на величину





Рис. 2


На глубине h, соответствующей уровню жидкости в широком сосуде (в точке В), к этому давлению прибавляется гидростатическое давление ρgh, где ρ — плотность жидкости. В широком сосуде на том же уровне, т. е. непосредственно под плоской поверхностью жидкости (в точке С), давление равно атмосферному давлению р0. Так как жидкость находится в равновесии, то давления на одном и том же уровне (в точках В и С) равны. Следовательно,



Отсюда



Высота поднятия жидкости в капилляре прямо пропорциональна поверхностному натяжению ее и обратно пропорциональна радиусу канала капилляра и плотности жидкости.
Глубина h, на которую опускается в капилляре несмачивающая жидкость, тоже вычисляется по формуле (2). Это утверждение вы можете проверить самостоятельно.
Формулой (2) можно воспользоваться для определения поверхностного натяжения а. Для этого необходимо по возможности точнее измерить высоту поднятия жидкости h и радиус канала трубки r. Зная плотность жидкости ρ, поверхностное натяжение а можно найти по формуле:





Это один из наиболее распространенных способов определения поверхностного натяжения.
где R = r/cosθ, θ − краевой угол, радиус капилляра − r, радиус кривизны мениска − R. Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости путем измерения высоты h поднятия ее уровня в капилляре известного радиуса r:
σ = ρghr/(2cosθ).
Основной недостаток этого метода − сложность определения величины краевого угла θ. Поэтому использовать этот метод удобно только в тех случаях, когда смачивание близко к идеальному и cosθ ≈ 1.
2. Метод Ребиндера (метод определения максимального давления в пузырьке). В исследуемую жидкость 1, находящуюся в сосуде (рис.3),



Рис.3

вертикально опускается капиллярная трубка 2, узкий конец которой диаметром не более 0, 5 мм касается мениска исследуемой жидкости. Другим концом эта трубка сообщается с атмосферным воздухом, поэтому внутри капилляра поддерживается атмосферное давление ро. Давление р над исследуемой жидкостью постепенно уменьшают с помощью водяного насоса. Разность давлений (ро − р) стремиться выдуть пузырек воздуха из капилляра в жидкость, но этому противодействует добавочное давление


Δр = 2σ/r,


создаваемое силами поверхностного натяжения жидкости в образующемся пузырьке радиуса r и направленное к центру пузырька. Наконец, при некоторой разности давлений (ро − р) из капиллярной трубки выдувается в жидкость воздушный пузырек. Разность давлений (ро − р), максимальная в этот момент, измеряется U-образным манометром и равна ρgh, где ρ − плотность жидкости в манометре, h − разность ее уровней. Таким образом, в момент выдувания пузырька имеет место равенство:


ρgh = 2σ/r.


Здесь неизвестен радиус r выдуваемого пузырька, измерить который крайне затруднительно. Поэтому прибегают к использованию эталонной жидкости, коэффициент поверхностного натяжения σo которой известен и близок к коэффициенту поверхностного натяжения σ исследуемой жидкости. При этом полагают, что радиусы пузырьков, выдуваемых из одного и того же капилляра в обоих случаях будут одинаковы. Теперь вместо исследуемой жидкости в сосуд наливают эталонную жидкость и измеряют по манометру максимальную разность уровней ho, при которой пузырек воздуха выдувается в эталонной жидкости и выполняется равенство:

ρgho = 2σo/r.


Разделив уравнение (1) на (2) и решив относительно σ, получаем формулу для вычисления поверхностного натяжения исследуемой жидкости:


σ = σoh/ho.


Рассмотренным методом можно определять поверхностное натяжение и на границе раздела двух не смешивающихся жидкостей. В этом случае узкий конец капиллярной трубки должен касаться поверхности раздела этих жидкостей, но при этом следует обязательно учитывать гидростатическое давление ρ1gН жидкости, расположенной сверху, толщина слоя которой равна Н, а плотность − ρ1.