Дополнительный материал к главе 2.4. А. Лабораторное измерение поверхностного натяжения на границе раздела жидкости методом счета капель

Поверхностно - активные вещества концентрируются на границе раздела фаз неравномерно: в первый период интенсивнее, а затем медленнее, на границе раздела нефть-вода главным образом в течение первой минуты. Таким образом, для измерения  в условиях, близких к статистическим, продолжительность образования капли до ее отрыва должна составлять не меньше 1 минуты. В соответствии с определением, поверхностным натяжением называется работа , которую необходимо затратить для образования единицы новой поверхности раздела фаз в изотермическом процессе при постоянном внешнем давлении и при постоянстве химических потенциалов:

[Дж] (1)

Здесь dS – площадь поверхности; - коэффициент поверхностного натяжения.

Схематично процесс отрыва капли воды, истекающей из отверстия в пространство, заполненное нефтью, изображен на рис.1.

F_A

H₂ O

F_T

F_Z

нефть

Рис. 1. Схематичное изображение метода определения поверхностного натяжения капли воды в нефти

Физическая основа метода:

В момент отрыва капли от капилляра на нее действует сила:

F_Z+F_T=F_A (2.)

Здесь F_Z – проекция сил поверхностного натяжения капли на ось Y; F_A - сила Архимеда; F_T - силы тяжести.

Тогда

F_Z=F_A-F_T (3)

Из уравнения (1)

F_Z= a* (4)

Cила Архимеда есть

F_A=_В*g*V (5)

где _В - плотность воды; g – ускорение свободного падения;

V - объем одной капли.

Сила тяжести

F_Т=_К*g*V (6)

где _К – плотность капли.

Используя уравнения (3)-(6), запишем:

a*=V*(_В-_К) *g (7)

Тогда

(2.4.8)

Полученная формула лежит в основе определения коэффициента поверхностного натяжения с помощью специального прибора – сталагмометра (рис. 2).

В капилляр и датчик набирают жидкость (например нефть и нефтепродукт), другая жидкость (обычно вода) наливается в небольшой стакан. Капилляр опускают в воду и датчиком выдавливают несколько капель. По делениям микрометрического винта определяют объем выделившейся жидкости U вытекшей жидкости. Значение объема подставим в уравнение (8), тогда:

, (9.)

где n - количество выделившихся капель.

Рис. 2. Сталагмометр для определения коэффициента поверхностного натяжения 1. Микрометр – датчик 2. Пружина 3. Поршень 4. Шприц 5. Слой нефти 6. Капля нефти 7. Прозрачная емкость 8. Вода 9. Капилляр 10. Игла 11. Стойка штатива 12.Винт 13. Втулка 14. Скоба