Экспериментальные методы определения поверхностного натяжения жидкостей и характеристик смачивания

Метод максимального давления в газовом пузырьке

Это основной метод при определении σ_ЖГ для металлов при высоких температурах. Основан на определении максимального давления, необходимого для продуваний пузырька газа через капилляр, опущенный на определенную глубину в исследуемый расплав.

,

где r – радиус капилляра;

Р_М – максимальное давление в газовом пузырьке.

Метод лежащей капли

В настоящее время широко применяется для измерения поверхностного натяжения металлов при высоких температурах. Форма капли жидкости, лежащей на несмачиваемой или плохо смачиваемой подложке (рис. …), зависит от поверхностного натяжения σ_ЖГ, разности плотностей соприкасающихся фаз, ускорения свободного падения – g и количества жидкости, образующей каплю.

Рис. …. Схема обмера капли.

Для определения поверхностного натяжения каплю фотографируют и на снимке определяют значения rиh. Затем, используя таблицы Башфорта и Адамса, определяют величину σ_ЖГиз соотношения:

где а²– капиллярная постоянная,– разность плотностей контактирующих жидкой и газообразной

r – максимальный радиус капли;

h – высота капли над экватором;

Метод висящей капли

Основан на условии равновесия массы висящей капли и сил поверхностного натяжения, которое можно записать в виде:

,

где

.

Так как, в точке О: где Нf – функция величин de и dS от глобулирования.

Заполнение неравномерного зазора

Метод веса пластинки

Позволяет определить произведение σ_ЖГ·cosθ, фиксируя величину силы, уравновешивающей вес пластинки и силы смачивания F.

F= σЖГ·cosθ·b, где b – периметр пластинки.

Методы определения характеристик смачивания

Экспериментальные методы определения поверхностной энергии твердого тела

Строго говоря поверхность кристаллических тел обладает свободной поверхностной энергией (скаляр) и поверхностным натяжением (тензор), в отличие от жидкостей для которых поверхностное натяжение и поверхностная энергия численно равны. Предполагается, что твердое вещество способно вести себя при длительных выдержках и температурах, близким к температурам плавления, так же как и жидкость. Измерение поверхностного натяжения твердых тел сопряжено с большими трудностями. Реальная поверхность поликристаллических тел обычно сильно отличается от идеальной. Строго говоря, каждая грань кристалла, выходящая на поверхность, имеет свое значение поверхностного натяжения ­­σ_i (Число соседей). Поэтому, когда речь идет о твердом теле, можно говорить лишь о некотором среднем значении поверхностного натяжения:

В случае твердых тел почти всегда невозможно провести изотермически обратимы процесс образования новой поверхности.

Методика И.В. Абрамова для слюды

Заключается в том, что момент сил, которые отщепляют пластинку слюды, уравновешивается ее упругим изгибом и работой, затраченной на образование двух новых поверхностей, пропорциональной свободной поверхностной энергии (рис …):

где Е – модуль упругости.

Слюда и материалы, разрушающиеся по плоскостям спайности – основная область применения метода Абреимова. Например, значение поверхностного натяжения, полученного этим методом для пирографита (200) составляет 1500 эрг/см².

Разновидностью метода … является следующий метод определения σ_ТГ для малопластичных материалов. Сущность этого метода заключается в том, что в предварительно созданную трещину вставляют клин и определяют критическую силу, необходимую для дальнейшего развития трещины. Величину поверхностного натяжения определяют по формуле:

где F - критическая сила;

L – глубина первоначальной трещины;

b – ширина образца;

h – толщина отщепляемой части.

Для определения свободной поверхностной энергии пластичных твердых тел применяется метод Таммана-Удина (метод нулевой ползучести). Он заключается в том, что тонкая фольга или проволока нагревается до температуры близкой к температуре плавления металла. При этом, силы поверхностного натяжения стремятся уменьшить свободную поверхность металла, что приводит к сокращению длины фольги или проволоки. Действие поверхностных сил можно уравновесить приложением внешней нагрузки. Когда удлинение равно нулю, величину поверхностного натяжения можно определить по формуле:

где Р – уравновешивающая нагрузка;

b – периметр образца (фольги или проволоки).

При этом следует отметить, что для металлов справедливо соотношение:

.