Спосіб сумісного визначення параметрів капілярних сил на межі розділу фаз

Спосіб визначення параметрів капілярних сил на межі поділу фаз, здійснюваний шляхом зважування меніска на вертикальній пластинці з досліджуваного матеріалу, що відрізняється тим, що одночасно зі зважуванням на цій же пластинці до датково вимірюють висоту підняття крайки меніска за допомогою мікроскопа-катетометра, а величину поверхневого натягу рідини і крайового кута змочування визначають за формулами: ( W / p)2 /( gh2 ) gh2 / 4 , Винахід відноситься до області капілярних явищ і може бути використаний при експериментальному визначенні параметрів капілярних сил: поверхневого натягу рідини і крайового кута змочування нею твердої поверхні. Відомий спосіб спільного визначення параметрів капілярних сил: поверхневого натягу і крайового кута - так називаний «метод краплини і бульбашки», що здійснюється у формі двох експериментів, в одному з яких вимірюють висоту Η «великої краплини», що лежить на горизонтальній пластинці з досліджуваного матеріалу, а в іншому - висоту D «великої бульбашки», що перебуває під горизонтальною пластинкою (з того ж матеріалу), що лежить зверху на рідині (див. І. К. Кікоїн. Молекулярна фізика. К.:В.Ш., 1968, с. 342344). Шукані параметри в способі - аналогу знаходять по формулах: 2 2 =(D +H ) g/4; =arccos[(D2-H2)/(D2+Η2)], де = ж- м - різниця густини рідини і газу (кг/м3); g - прискорення вільного падіння (м/с). Ці формули отримані в результаті рішення системи двох рівнянь із двома невідомими ( і ), перше з яких: (1-cos )= gH2/2, являє собою баланс капілярних сил на лінії контакту трьох фаз для «великої» краплини, що лежить на горизонтальній пластинці з досліджуваного матеріалу, а друге: (1+cos )= gD2/2, являє собою баланс капілярних сил на лінії контакту трьох фаз для «великої» бульбашки, що перебуває під горизонтальною пластинкою з досліджуваного матеріалу. Однак точність визначення шуканих параметрів ( і ) капілярних сил даним способом дуже низька, тому що в ньому важко забезпечити рівноважні умови при утворенні і бульбашки, і краплини, тобто і при натіканні, і при відтіканні рідини, а тому крайовий кут є нерівновагим: причому для краплини він близький до max кута натікання, а для бульбашки - до min кута відтікання (Н.К.Адам. Физика и химия поверхности. 1947, с. 244). Найбільш близьким по технічній суті і результату, що досягається, до способу, який заявляєть arcsin{[ 4( W / p)2 ( gh2 )2 ] /[ 4( W / p)2 ( gh2 )2 } , (19) UA (11) 75515 (13) C2 де W - «вага» меніска, що висить на пластинці (Н); p - периметр меніска на пластинці з досліджуваного матеріалу (м); - різниця густини рідини і газу, ж м, (кг/м3); g - прискорення вільного падіння (9,8 м/с2); h - висота підняття крайки меніска на пластинці (м). 3 75515 4 ся, є так називаний «метод пластинці Вільгельмі» нці (Н); (L.Wilhelmy, Ann.Physic, v. 119, p. 177, 1863), авp - периметр меніска на пластинці з досліджуторський варіант якого здійснюється у формі двох ваного матеріалу, (м); експериментів, в одному з яких «зважують» меніск, - різниця густини рідини і газу, = ж- м що висить на вертикальній пластинці з платинової (кг/м3); 2 фольги (при цьому =0), а величину поверхневого g - прискорення вільного падіння (9,8м/с ); натягу рідини знаходять по формулі: h - висота підняття крайки меніска на пластинці (м). = W1/p, Такий спосіб експериментального визначення де W1 - «вага» меніска (Н), і по-перше, виключає використання в експериp - периметр меніска (м) на пластинці з платиментах пластинки з платинової фольги, що різко нової фольги. спрощує процедуру, а по-друге, цей спосіб забезА в другому експерименті меніск «зважують» печує проведення усіх вимірів одночасно в однимуже на пластинці з досліджуваного матеріалу, а єдиному експерименті, що виключає методичні крайовий кут змочування знаходять по формулі: помилки, викликані неминучою відмінністю режим=arccos( W2/ W1), них параметрів у двох різних експериментах, і тим, де W2 - «вага» меніска (Н) на пластинці з досамим підвищує точність одержуваних результасліджуваного матеріалу: W2= cοs (див. Адамтів. Останнє достоїнство забезпечує можливість сон. Физическая химия поверхности. МИР. Μ.: використання способу, що заявляється, при вимі1979, с. 26). рах не тільки в стаціонарних умовах, але й у неДругий варіант «методу пластинці Вільгельмі», стаціонарному режимі, (при зміні температури так називаний «варіант Ньюмена» (A.W.Neuman, фаз, концентрації розчину, складу газу і т.д., (тобZ. Phys. Chem., NF 41, 339 & NF 43, 71; 1964), відто у випадках, де одночасно змінюється величина і різняється від авторського лише тим, що в другому σ, і Θ; експерименті замість «зважування» меніска на та де, таким чином, з'являється унікальний вертикальній пластинці з досліджуваного матеріашанс їхнього спільного визначення в найрізноманілу - за допомогою мікроскопа - катетометра на цій тніших умовах, що дуже важливо для застосувань же пластинці вимірюють висоту h крайки меніска, а (див. Л.Н.Кунин. Поверхностные явления в металкрайовий кут змочування θ знаходять по формулі: лах. Μ. 1955, с. 111). Крім того, оскільки обидва =arcsin[1-(h/a)2], способи-аналоги «методу пластинці Вільгельмі» є де а - «капілярна постійна» (а = 2 / g), у видуже точними (точність авторського варіанта 0,1%, раз якої підставляється величина , що отримана а точність варіанта Ньюмена 0,1°), то запропонона основі результатів першого експерименту по ваний спосіб спільного визначення і представ«зважуванню» меніска на пластинці з платинової ляє по суті методику виміру параметрів капілярних фольги (А. Адамсон..., с. 276). сил з прецизійною точністю. Основним недоліком обох варіантів «методу При проведенні патентного пошуку не виявлепластинці Вільгельмі» є необхідність-використання но відомих технічних рішень, яким аналогічні чи платинової фольги для визначення поверхневого еквівалентні ознаки додавали такої ж властивості. натягу рідини. Крім того, серйозним недоліком Пропозиція пояснюється наступним. обох варіантів «методу пластинці Вільгельмі» є У результаті проведення експерименту по необхідність проведення для визначення і двох «зважуванню» меніска W на пластинці з досліекспериментів, при цьому можуть значно змінитиджуваного матеріалу одержують рівняння з двома ся умови проведення експериментів, що впливає невідомими: cos = W/p. А в результаті проведена точність одержуваних результатів. ного одночасно зі зважуванням виміру висоти підВ основу винаходу поставлена задача удоскойому крайки меніска h за допомогою мікроскопа налення способу спільного визначення параметрів катетометра одержують друге рівняння з двома капілярних сил, у якому шляхом виключення ексневідомими: (h/a)2=1-sin , де а=2 / g. перименту по «зважуванню» меніска на пластинці Таким чином, у результаті проведення одногоз платинової фольги і проведення обох вимірів єдиного експерименту з двома вимірами одержуодночасно в одному-єдиному експерименті забезють систему двох рівнянь із двома невідомими, і печується значне спрощення способу і разом з тим : - уточнення процедури експериментального визначення і . cos W/ p Поставлена задача вирішується тим, що в sin 1 ( gh2 / 2 )2 способі визначення і , що містить експеримент по «зважуванню» меніска на вертикальній пластиДана система двох рівнянь із двома невідоминці з досліджуваного матеріалу, відповідно до вими вирішується в замкнутому виді: находу на цій же пластинці (одночасно зі зважу=( W/p)2/( gh2)+ gh2/4, 2 ванням) вимірюють і висоту підняття крайки =arcsin{[4( W/p) 2 2 2 2 2 меніска h за допомогою мікроскопа-катетометра, а ( gh ) ]/[4( W/p) +( gh ) ]}, величину поверхневого натягу і крайового кута де W - «вага» меніска, що висить на пластизмочування визначають по формулах: нці (Н); =( W/p)2/( gh2)+ gh2/4, p - периметр пластинки з досліджуваного ма2 =arcsin{[4( W/p) теріалу, (м); ( gh2)2]/[4( W/p)2+( gh2)2]}, - різниця густини рідини і газу, = ж- м (кг/м3); де W - «вага» меніска, що висить на пласти 5 75515 6 g - прискорення вільного падіння (9,8 м/с2); являють собою баланси капілярних сил), яка утвоh – висота підняття крайки меніска на пластирюється при цьому, - і є математичною основою нці (м). даного способу. Спосіб, що заявляється, забезпечує прецизійОтже, у способі спільного визначення і нене визначення поверхневого натягу і крайового обхідно і досить провести всього один експеримент по «зважуванню» меніска ( W) на пластинці з кута змочування - без використання пластинці з досліджуваного матеріалу разом з виміром висоти платинової фольги і з одночасним виміром усіх h крайки меніска мікроскопом-катетометром, а параметрів в одним-єдиному експерименті. система з двох рівнянь з двома невідомими (що Комп’ютерна верстка М. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601