Методы измерения поверхностного натяжения расплавов

Цель лекции: Изучение теоретических основ и приборно-аппаратурного оформления измерения поверхностного натяжения.

План лекции:

1. Общие определения поверхностного натяжения

2. Теоретические основы поверхностного натяжения

3. Взаимосвязь между поверхностным натяжением и смачиваемостью

4. Связь поверхностного натяжения с плотностью и вязкостью

5. Основные методы измерения поверхностного натяжения

6. Метод определения поверхностного натяжения - максимального давления

7. Сталагмометрический метод определения поверхностного натяжения

Жидкие вещества обладают хорошо известным характерным свойством сокращать свою поверхность, благодаря чему мелкие капли расплавленных металлов приобретают сферическую форму. Это является следствием того, что на поверхность капель жидкости действуют силы, стремящиеся предохранить каплю от растекания. Возникновение этих сил связано с тем, что частицы вещества, расположенные на поверхности жидкости, находятся под действием сил притяжения соседей, расположенных под ними и по сторонам; со стороны же свободной поверхности жидкости эти силы отсутствуют, а внутри жидкости они находятся во взаимоуравновешанном состоянии.

Поверхностное натяжение – отношение суммы поверхностных сил к длине или периметру перемещаемого этими силами контура, на который опирается поверхность, или его части.

σ = ΣF/l, Н/м, (16)

где: σ - поверхностное натяжение; ΣF - сумма поверхностных сил; l - длина перемещаемой части контура.

Впервые теорию поверхностного натяжения жидких металлов выд­винул Я.И. Френкель, в ней поверхностное натяжение рассматривалось как электростатическая энергия двойного электрического слоя, воз­никающего на поверхности капли благодаря тому, что электронный газ, покидая металл, обладает энергией, отличной от энергии электронов внутри металла. Эту теорию в дальнейшем развивал Я.Г. Дорфман, ко­торый произвел расчет энергии двойного слоя на основе современной квантовой механики и показал, что величины поверхностного натяже­ния металлов, полученные расчетным и экспериментальным путем, име­ют один порядок.

Согласно представлениям В.К. Семенченко, очень большая вели­чина поверхностного натяжения жидких металлов, в частности щелоч­ных, объясняется наличием свободных электронов. Столь большая ве­личина поверхностного натяжения способна стабилизировать капли до такой степени, что, даже будучи каплями чистого вещества, они не смешиваются между собой. По мнению некоторых современных авторов микронеоднородность жидкого металла связана, прежде всего, не с обра­зованием кристаллоподобных атомных группировок (кластеров), а с об­разованием мелкодисперсных, крайне устойчивых, не смешивающихся капель жидкости. Такая модель строения расплава получила название микроэ­мульсионной [2].

Явление взаимной растворимости двух жидкостей, или твердой фазы в жидкости тесно связано с характером и величиной их поверх­ностной энергии. Чем значительней взаимная растворимость веществ, тем меньше поверхностное натяжение на их границе. Причем имеет мес­то взаимное влияние вещества на двойной электрический слой.

Повышение температуры вызывает уменьшение поверхностного на­тяжения, следовательно, увеличивает взаимную растворимость веществ, о степени уменьшения поверхностного натяжения судят по смачиваемос­ти.

Взаимосвязь между величиной поверхностного натяжения и сма­чиваемостью, иллюстрируется характером механического равновесия жидкой капли, лежащей на твердой подложке, как это показано на рисунок 9.

Рисунок 9. Взаимосвязь между величиной поверхностного натяжения и сма­чиваемостью.

Три силы определяют величину смачивания; одна из них - по­верхностное натяжение жидкого расплава (σ_жг). В случае ее снижения уменьшается угол смачивания, что способствует растеканию капли. Это видно из уравнения равновесия сил:

σ_тг = σ_гж + σ_{ж г} · cos θ, Н / м, (17)

где: σ_тг - поверхностное натяжение границы раздела твердое - газ (атмосфера); σ_гж - поверхностное натяжение границы раздела твердое - жидкость; σ_жг - поверхностное натяжение расплава (граница жидкость - газ), откуда

cos θ = (σ_тг - σ_гж )/ σ_{ж г}. (18)

Поверхностное натяжение связано с плотностью расплава, следовательно, с динамической вязкостью. В отдельных случаях наб­людается корреляция с электросопротивлением. Электрическая при­рода поверхностного натяжения и связь его с плотностью позволяет говорить о том, что поверхностное натяжение является также структурно-чувствительным свойством расплава. Связь поверхностного натяжения с плотностью обычно опреде­ляется соотношением:

σ = (g · r · h · d)/2, H/м (19)

где: r - радиус капилляра; g - ускорение свободного падения; h - высота подъема жидкости в капилляре; d - плотность.

Очевидно, что такое соотношение не применимо для капли, поскольку величина поверхностного натяжения связана с размерами капилляра. Лаплас получил выражение для σ, не зависящее от размеров капилляра и поэтому пригодное для лежащей капли [3]:

σ =g · a²_k · Dd, (20)

где: a_к - капиллярная постоянная, зависящая от природы соприкасающихся веществ; Dd - разность плотности капли и окружающей среды.