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

Сталагмометрический метод (метод счета капель). Как уже отмечалось, под действием поверхностного натяжения свободная поверхность капель жидкости стремится принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей поверхностной энергии и наименьшей площади свободной поверхности. Их форма тем ближе к шаровой, чем меньше вес капель, поскольку для малых капель сила поверхностного натяжения превосходит силу тяжести. Форма и размер капель, отрывающихся от конца капиллярной трубки, зависят не только от силы поверхностного натяжения, но и от диаметра трубки и плотности вытекающей жидкости. При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли постепенно растет. На рис.4


Рис.4


Показан процесс образования капли. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли она равна результирующей силе поверхностного натяжения


Fн = πdσ: πdσ = mg.


Отсюда следует, что, измеряя массу m одной капли и зная диаметр d шейки капли, можно вычислить коэффициент поверхностного натяжения:


σ = mg/(πd).


Массу одной капли определяют взвешиванием на аналитических весах определенного отсчитанного количества капель (отсюда и название метода) и последующего вычисления средней массы одной капли [1]
Метод отрыва кольца. На поверхность исследуемой жидкости помещают кольцо или рамку на рис.5. Если жидкость смачивает кольцо, то силы поверхностного натяжения F1 и F2, действующие на его наружную и внутреннюю поверхности диаметрами D и d, направлены внутрь жидкости, как показано на рис.



Рис.5


и создают суммарную силу поверхностного натяжения, равную


Fп = σπ(D + d).


Чтобы оторвать кольцо от поверхности жидкости, надо приложить направленную вверх силу F, которая скомпенсирует силу тяжести mg кольца и силу поверхностного натяжения Fп:

F = Fп + mg.


Измерив с помощью динамометра или весов силу F отрыва кольца и зная его массу и размеры, из соотношений (3) и (3) получают выражение для коэффициента поверхностного натяжения жидкости:


σ = (F − mg)/(π(D + d)).



Рис. 6


Метод пластины


В методе пластины Вильгельми пластина (известных размеров) взаимодействует с поверхностью жидкости на Рис.5 При этом жидкость смачивает пластину вдоль вертикального контура. Стандартная пластина остается своим нижним краем на нулевом уровне (на уровне поверхности жидкости) на протяжении всего измерения. В этом случае нет необходимости вводить поправку на силу веса жидкости под пластиной, как в методе кольца. Дополнительным преимуществом метода пластины является то, что не надо знать плотности жидкости, а также то, что не происходит перемешивания фаз (пластина только касается жидкости).
Несмотря на все эти преимущества, метод кольца дает более точные результаты (выше прикладываемые силы), кроме того имеется много справочных данных для разных жидкостей.
Поверхностное натяжение рассчитывается на основании измеряемой силы (F), длины смачиваемой поверхности (L) и краевого угла смачивания ( ). Стандартные пластины выполняются из материалов, которые очень хорошо смачиваются, т.е. = 0°.





Метод Вильгельми реализован во всех цифровых тензиометрах серии К Подходит для измерения поверх-ностного/ межфазного натяжения в диапазоне 5…100 мН/м.