Метод максимального давления пузырька

В физике метод максимального давления пузырька , или, короче, метод давления пузырька , представляет собой метод измерения поверхностного натяжения жидкости поверхностно - с активными веществами .

Фон

Когда жидкость образует границу раздела с газовой фазой, молекула на границе имеет совершенно другие физические свойства из-за разбалансировки сил притяжения соседних молекул. В состоянии равновесия жидкости внутренние молекулы находятся под действием уравновешенных сил с равномерно распределенными соседними молекулами.

Однако относительно меньшее количество молекул в газовой фазе над границей раздела, чем в конденсированной жидкой фазе, приводит к тому, что общая сумма сил, приложенных к поверхностной молекуле, находится непосредственно внутри жидкости, и, таким образом, поверхностные молекулы имеют тенденцию минимизировать свою собственную площадь поверхности.

Такое неравенство молекулярных сил вызывает непрерывное движение молекул изнутри к поверхности, а это означает, что поверхностные молекулы обладают дополнительной энергией , которая называется поверхностной свободной энергией или потенциальной энергией . и такая энергия, действующая на уменьшенную единицу площади, определяется как поверхностное натяжение .

Это основа для интерпретации соответствующих явлений, которые происходят на поверхности или границе раздела материалов, и множество методов измерения поверхностного натяжения . было разработано

Среди различных способов определения поверхностного натяжения метод кольца Дюнуи и метод скольжения Вильгельми основаны на отделении твердого объекта от поверхности жидкости, а метод подвесной капли и метод сидячей капли или пузырька зависят от деформации сферической формы объекта. капля жидкости.

Несмотря на то, что эти методы относительно просты и обычно используются для определения статического поверхностного натяжения , в случае добавления примесей в жидкость измерение поверхностного натяжения на основе динамического равновесия, следует применять поскольку для получения полностью сформированной жидкости требуется больше времени. поверхности, а это означает, что трудно достичь статического равновесия, как это происходит в чистой жидкости.

Наиболее типичной примесью, вызывающей динамического поверхностного натяжения измерение , является молекула поверхностно-активного вещества, которая имеет как гидрофильный сегмент, обычно называемый «головной группой», так и гидрофобный в одной и той же молекуле сегмент, обычно называемый «хвостовой группой». Из-за характерной молекулярной структуры поверхностно -активные вещества мигрируют к поверхности жидкости, граничащей с газовой фазой, до тех пор, пока внешняя сила не разгонит накопленные молекулы с границы раздела или поверхность не будет полностью занята и, таким образом, не сможет разместить дополнительные молекулы. Во время этого процесса поверхностное натяжение уменьшается как функция времени и, наконец, приближается к равновесному поверхностному натяжению ( _{равновесие} σ ). Такой процесс проиллюстрирован на рисунке 1. (Изображение воспроизведено по ссылке)

Рисунок 1: Миграция молекул ПАВ и изменение поверхностного натяжения (σ _t1 > σ _t2 > σ _{равновесие} ).

Метод максимального давления пузырька

Одним из полезных методов определения динамического поверхностного натяжения является измерение «метода максимального давления пузырька» или, проще говоря, метода давления пузырька.

давления пузырьков Тензиометр производит пузырьки газа (например, воздуха) с постоянной скоростью и продувает их через капилляр, который погружен в жидкость пробы, и его радиус уже известен.

Давление ) внутри газового пузыря продолжает расти и максимальное значение достигается , ( P когда пузырек имеет полностью полусферическую форму, радиус которой точно соответствует радиусу капилляра.

На рисунке 2 показан каждый этап формирования пузырька и соответствующее изменение радиуса пузырька, каждый этап описан ниже. (Изображение было воспроизведено по ссылке)

Рисунок 2: Изменение давления во время образования пузырьков в зависимости от добавленного объема.

Первоначально на конце капилляра появляется пузырек. По мере увеличения размера радиус кривизны пузырька уменьшается.

В точке максимального давления пузырька пузырь имеет полную полусферическую форму, радиус которой идентичен радиусу капилляра, обозначаемого Rcap. Поверхностное натяжение можно определить с помощью уравнения Юнга – Лапласа в сокращенной форме для сферической формы пузырьков внутри жидкости.

$\sigma ={\frac {\Delta P_{\rm {max}}\times R_{\rm {cap}}}{2}}$

(σ: поверхностное натяжение, Δ P _max : максимальное падение давления, R _cap : радиус капилляра)

Позже, после максимального давления, давление пузырька уменьшается, а радиус пузырька увеличивается до тех пор, пока пузырек не оторвется от конца капилляра и не начнется новый цикл. Это не имеет значения для определения поверхностного натяжения.

Разработанные и выпускаемые в продажу тензиометры отслеживают давление, необходимое для образования пузырька, разница давлений внутри и снаружи пузырька, радиус пузырька и поверхностное натяжение образца рассчитываются за один раз, а сбор данных осуществляется с помощью Управление ПК .

Метод давления пузырька обычно используется для измерения динамического поверхностного натяжения систем, содержащих поверхностно-активные вещества или другие примеси, поскольку он не требует измерения угла смачивания и имеет высокую точность, хотя измерение выполняется быстро. «Метод давления пузырька» может применяться для измерения динамического поверхностного натяжения, особенно для систем, содержащих поверхностно-активные вещества. Более того, этот метод подходит для применения к биологическим жидкостям , таким как сыворотка. поскольку для измерений не требуется большого количества жидкой пробы. Наконец, этот метод используется для косвенного определения содержания поверхностно-активных веществ в ваннах для промышленной очистки или нанесения покрытий, поскольку динамическое поверхностное натяжение в определенном диапазоне скоростей образования пузырьков показывает сильную корреляцию с концентрацией.

Внешние ссылки

• Принцип измерения и применение измерения динамического поверхностного натяжения с помощью тензиометра давления пузырьков
• Метод давления пузырька для измерения динамического поверхностного натяжения