15. Определение поверхностного натяжения по массе свободнопадающих капель стекломассы

В процессе термической переработки сырьевые материалы при высоких температурах переходят частично в расплавленное состояние. Это приводит к появлению границ раздела фаз разных типов: твердое вещество-жидкость-газ. На границе раздела фаз атомы или молекулы находятся в состоянии, отличном от их состояния в объеме вещества. Атомы на поверхности обладают избытком свободной энергии. Полная поверхностная энергия Е_s представляет собой сумму свободной поверхностной энергии σ_s и скрытой теплоты образования поверхности q. Свободная поверхностная энергия характеризуется работой, затрачиваемой на увеличение поверхности на единицу площади.

Поверхностным натяжением σ называют величину силы, действующей на единицу длины или площади тангенциально к поверхности. Единицами измерения T являются Дж/м²=Н/м в системе СИ и эрг/см²=дин/см; 1 Дж/м²=100 эрг/см² = 1Н/м=100 дин /см.

Для силикатных расплавов коэффициент поверхностного натяжения составляет (2…6)*10^-5Н (м*⁰С), поэтому повышение температуры на 100⁰С приводит к понижению величины натяжения на 1%. Таким образом, поверхностное натяжение является фактором, влияющим на процесс растворения и кристаллизации силикатных растворов.

Определение поверхностного натяжения по массе свободнопадающих ка-пель основано на том, что масса образующейся капли расплавов эквивалентна массе капли, оторвавшейся от образца стекла в результате его расплавления. Величины поверхностной энергии и натяжения у твердых тел больше, чем у жидкостей. У более тугоплавких веществ значения удельной поверхностной энергии выше, чем у легкоплавких.

Основной частью прибора является электрическая печь на приставке 3. В печи имеются два окна 2. Для освещения образца стекла служит осветительное устройство из электрической лампы 4, линзы 5 и светорассеивающего стекла 6. Для определения поверхностного натяжения расплава (стекла, глазури, эмали) используют стеклянные палочки диаметром 1,5 мм и длиной 25 см, которые располагаются в печи строго вертикально по ее оси. Образец вводят в печь через отверстие в верхней крышке 18. Нижнее отверстие печи открыто. Под печью находится стакан 21 с трансформаторным маслом, куда падает капля расплава.

Спай термопары помещают рядом с образцом таким образом, чтобы капля расплава отрываясь от палочки, не касалась термопары. Перед началом опыта электропечь нагревают до заданной температуры 950-1000⁰С. При помощи зажимного устройства 20 в центре печи вводят конец образца, который расплавляясь постепенно продвигается вниз, чтобы процесс формирования капли происходил на конце палочки. Стеклянная палочка вставляется внутрь фарфоровой трубки диаметром 4 мм. Нижний конец длиной 2 мм остается открытым, где происходит капле образование.

Для каждого вида стекла получают 2-3 капли. Их извлекают из стакана, протирают и взвешивают на аналитических весах. Поверхностное натяжение (в дин/см) рассчитывают по формуле.

σ = m * g (1 + D₀ / D)/ πD₀ ,

где m – -масса капли, г;

D₀–диаметр палочки, см ;

D –диаметр капли, см ;

g – ускорение силы тяжести, см/с².