8. Экспериментальное определение r0 и 32 .

Оценка значения r₀ позволила установить границы его возможных значений для всех пар (5мм  r₀  1мм). Эти данные позволяют определить технические требования к устройствам для экспериментального определения r₀ различных пар «жидкость – твердое тело». Способ заключается в использовании двух параллельных пластин, сближая которые можно определить момент, когда поверхность жидкости между ними будет полностью искривлена. Расстояние между пластинками в этот момент равно 2r₀ . При визуальном определении этого момента погрешность велика (не менее 0,3мм), при определении оптическим методом уже 0,1мм.

Определение межфазного натяжения ₃₂, даже методом «прямого взвешивания», всё же не является достаточно точным. Однако есть принципиальная возможность повысить точность на порядок, используя его в условиях невесомости, где погрешность будет зависеть только от точности пружинных весов и от периметра погруженной части тела. В условиях невесомости на любое тело, частично погруженное внешней силой в любую жидкость, будет действовать только сила поверхностного натяжения, величина которой определяется величиной периметра погруженной части тела.

Для воды значение поверхностного натяжения приблизительно в два раза меньше, чем справочное и оно было подтверждено также измерениями методом «растекания», представляющим собой исправленный метод "большой капли и пузырька" .

1. Метод «растекания»

В отличие от капиллярных методов, при которых жидкость взаимодействует с вертикальной стенкой, в этом методе жидкость взаимодействует с горизонтальной плоской подложкой. На плоской горизонтальной поверхности твердого тела жидкость в состоянии равновесия может иметь (в зависимости от её объёма) различную форму – от почти идеального шара до тонкой плёнки в виде цилиндра. Для такой пленки её равновесное состояние определяется четырьмя силами, точнее, их горизонтальными компонентами.

1.Сила тяжести (гидростатическое давление). Её горизонтальная компонента способствует растеканию жидкости и равна (на единицу длины периметра пятна):

F=0.5gh² (фронт – вертикаль), F=0.785gh² (фронт – четверть окружности, смачивание), F=1.57gh² (фронт – полуокружность, несмачивание)

2. Сила адгезионного взаимодействия ₃₂ (на единицу длины). На границе 3-х фаз (подложка – жидкость – газ) равнодействующая (между когезией и адгезией) направлена под определенным углом либо внутрь подложки, либо внутрь жидкости. Вертикальная компонента равнодействующей характеризует силу «прилипания» жидкости к поверхности подложки. Горизонтальная компонента равнодействующей в обоих случаях способствует процессу растекания и равна ₃₂ cos.

3. Сила поверхностного натяжения жидкости. Она препятствует процессу растекания и равна ₂₁ (на единицу длины).

4. Фронт растекающейся жидкости представляет собой (в вертикальной плоскости) либо до половины выпуклого мениска (в случае смачивания), либо почти полный выпуклый мениск (в случае несмачивания). Это порождает силу Лапласа, равную, соответственно, либо 0.5₂₁, либо 1₂₁ (на единицу длины), которая также препятствует растеканию жидкости.

Итак, условием равновесия жидкости, растёкшейся по твердой подложке, будет (случай смачивания):

Для случая несмачивания:

gh² +₃₂cos - ₂₁  ₂₁   (

Здесь:

₂₁ – поверхностное натяжение жидкости,

₃₂ - межфазное натяжение (адгезионное) между подложкой и жидкостью,

h – толщина пленки,

 - плотность жидкости

Из формул (9) и (10) следует, что, начиная с определенного объёма, толщина слоя уже не зависит от массы растёкшейся жидкости. Это может быть проверено прямыми методами измерения толщины слоя (ультразвуковым, оптическим, индукционным). В настоящей работе толщина слоя определялась по зависимости V = f(S), где V – объём жидкости, растёкшейся по подложке, а S - площадь пятна растёкшейся жидкости. На Рис.3 представлены результаты измерений для системы 1 - «вода на чистом стекле» (случай смачивания) и системы 2 - «вода на оргстекле» (случай несмачивания).

Эксперимент подтверждает вывод о линейной зависимости V = f(S) для обеих систем, начиная с пятна радиусом более 5мм. Согласно измерениям, толщина слоя воды на чистом стекле равна 0.48мм (с погрешностью 12%), а на орг.стекле – 2.32мм (с погрешностью 10%). Зная толщину слоя и ₃₂, по формулам (9) и (10) можно определить поверхностное натяжение исследуемой жидкости.

Поверхностное натяжение воды ₂₁ , вычисленное для системы 1 (при ₃₂ = 0.044н/м и cos  ), равно 0.0305н/м.

Поверхностное натяжение воды ₂₁ , вычисленное для системы 2 (при ₃₂ = 0.0335нм и cos = - 07), будет равно ₂ = 0.0287нм.

Таким образом, результаты, полученные этим методом, близки к результатам капиллярных методов и подтверждают сделанный ранее вывод о недостоверности табличного значения (0.073н/м) поверхностного натяжения воды.

По сравнению с капиллярными методами, этот метод имеет определенные преимущества. Он более прост, пригоден для температурных измерений поверхностного натяжения жидкостей.

Близкие результаты трёх независимых методов определения поверхностного натяжения жидкостей, которые е тому же более близки к теоретической оценке, вряд ли можно считать случайным совпадением.

Выводы

Рассмотрены существующие экспериментальные методы измерения поверхностного натяжения жидкостей и установлено, что они, в принципе, не позволяют определять поверхностное натяжение жидкостей _ (натяжение на границе «поверхность жидкости – газ»). Коэффициент , который измеряется в этих методах и принимается за коэффициент поверхностного натяжения, не является таковым. Следовательно, справочные данные по поверхностному натяжению жидкостей недостоверны и требуют перепроверки. Установлено, что «классическая» формула капиллярного подъёма Лапласа – Жюрена - Юнга физически некорректна. Предложены варианты физически более обоснованных формул капиллярных явлений (6,7,8), позволяющие определять поверхностное натяжение жидкостей. Предложен также новый метод определения ₂₁ – метод «растекания». Предложен более точный метод измерения коэффициента межфазного натяжения ₃₂ (натяжения на границе «твердое тело – жидкость»). Все эти методы дают для поверхностного натяжения воды значение (0.034н/м), примерно в два раза отличающееся от справочного. Показана некорректность «классической» формулы Юнга для краевого угла смачивания. Предложен вариант формулы Юнга, который, возможно, не будет приводить к абсурдному значению () cos.

Б.Н.Комаров