Lucrare Determinarea Tensiunii Superficiale

8/20/2019 Lucrare Determinarea Tensiunii Superficiale

1/9

DETERMINAREA TENSIUNII SUPERFICIALE

Între moleculele din interiorul unui lichid şi moleculele unui gaz în contactcu lichidul au loc interferenţe care duc la formarea unui strat limită atunci cîndspeciile chimice diferite participante sînt insolubile una în alta. Forţeleintermoleculare în interiorul unei faze se compensează reciproc astfel încît forţarezultantă este zero. La nivelul stratului limită forţele moleculare nu se maicompensează pe toate direcţiile. Rezultatul acestui dezechilibru este o forţărezultantă cu o anumită direcţie. La contactul lichid – gaz forţele intermoleculare

în interiorul fazei lichide sînt mai mari decît cele din faza gazoasă ceea ce faceca forţa rezultantă să fie indreptată spre interiorul lichidului avînd totdeauna otendinţă de micşorare a suprafeţei libere a lichidului această forţă raportată lalungime poartă denumire de tensiune superficială. !nvingerea acesteia învederea măririi suprafeţei libere e"istente la lichid presupune aplicarea pe oanumită distanţă a unei forţe de sens invers ei rezultînd un lucru mecanic dedeformare sau o energie de deformare. #aloarea tensiunii superficiale estedată de raportul dintre energia $dE % necesară formării unei suprafete libere noide lichid pe lîngă suprafaţa liberă e"istentă şi aria $dA% acestei suprafeţe noucreate &

dA

dE σ = '()m*+,)m- $%

unităţile uzuale de măsură pentru tensiunea superficială sînt m,)m ea mai estedenumită şi tensiune specifică de suprafaţă deoarece valoarea ei corespundelucrului mecanic necesar pentru a genera o suprafaţă nouă cu mărimea de uncentimetru pătrat.

/ensiunea superficială constituie pe lîngă densitate şi vîscozitate a treiaproprietate importantă a lichidelor. Faptul că mercurul vîrsat in cantitate micăintr.un vas se strînge sub forma unei bile cînd de fapt sub densitatea imensă de0g)cm1 el ar trebui să se găsească întins sub forma unui film subţire sedatorează tensiunii superficiale enorme de σ + 020 m,)m. 3u toate cădensitatea uleiului este mult mai mică decît a mercurului $ densitate subunitară% opicătură din acesta se intinde imediat sub forma unei pelicule subţiri pe corpurisolide. 4cest comportament se datorează tot tensiunii superficiale de data astafoarte mică ea situîndu5se la uleiuri în 6urul valorii de cca 17507m,)m. /ensiuneasuperficială este o mărime hotărîtoare pentru fenomene de umectare adeziune

şi adsorbţie ce au loc la limita dintre straturi.8rin tensiunea limitei de strat se înţelege acelaşi efect ca în cazul

tensiunii superficiale ce se manifestă însă între două faze lichide sau două fazede tip solid 5 lichid. La tensiunea limitei de strat se suprapun forţele moleculareale fazelor lichide care interacţionează prin stratul limită. #aloarea tensiuniilimitei de strat nu poate fi dedus din tensiunle superficiale ale fazelor prezente.9i aici e"istă e"emplificări sugestive& :leiul nu poate fi întins într5o tigaie de teflonsub forma unui strat fin pe cînd o tigaie de oţel este acoperită fără probleme de

1

http://de.wikipedia.org/wiki/Joulehttp://de.wikipedia.org/wiki/Joule


2/9

un film fin de ulei. ;"plicaţia constă în faptul că în primul caz teflonul are oenergie de suprafaţă mai mică decît a oţelului. În primul caz conţinutul energetical sistemului se minimalizează dacă uleiul nu acoperă suprafaţa teflonului iar încazul al *5 lea dacă uleiul acoperă suprafaţa oţelului.

;"emple de straturi limită alimentare sînt prezentate în tabelul &Tab.1. e"emple de diferite straturi limită alimentareTip de strat limită Exemple

Lichid – gaz bere 5 3


3/9

Fig.1 dependenţa tensiunii superficiale în funcţie de temperatură

!n figura este redată grafic dependenţa tensiunii superficiale de temperatură.

Dependenţa de concentraţie a tensiunii superficiale

8entru substanţe superficial active dependenţa tensiunii superficiale deconcentraţia acestora este dată de ecuaţia 9zAsz=oBs=i 'Figura-&

+⋅=−

b

c 1lnaσ σ 0 $1%

unde& σ 5 tensiunea superficială în ,.m5

0 σ 5 tensiunea superficială la c+7 c 5 concentraţia substanţei superficial active =g.m51 b 5 constantă specifică de material m1.=g5 a 5 constantă specifică de material ,.m5

Fig.. Cependenţa tensiunii superficiale de concentraţie

!n figura * este redată grafic dependenţa tensiunii superficiale de concentraţiasoluţiilor

3


4/9

Met!de "i aparate pe#tr$ determi#area te#si$#ii s$per%i&iale

;"istă mai multe metode şi aparate pentru determinarea tensiuniisuperficiale fiecare prezintă avanta6e şi dezavanta6e specifice. #arietatea mare

este dată de problematica foarte diversă dată de speciile lichide şi gazoase îninterferenţă dar şi de cerinţe privind precizia determinării precum şi cerinţelegate de posibilitatea de automatizare şi de achiziţie automată a datelor.

4paratele folosite pentru determinarea tensiunii superficiale poartă denumirea detensiometre.

Metoda măsurăţii forţei de ridicare. :na din metodele cele mai utilizatepentru determinarea tensiunii superficiale $σ % a unei soluţii apoase la carese poate considera că umectare este ideală şi unghiul de contact $ 0=ϕ % estecea a măsurării forţei necesare pentru realizarea unei suprafete noi suplimentareadiţionale. În acest scop se e"trage din soluţia analizată cu un dinamometru

electronic pe o lungime d!% fie&5 un cadru metalic închis pe orizontală cu o sîrmă de lungime $l % fig.1a5 un inel închis de diametru $d% din sîrmă fig.1b5 o placă metalică subţiri de lăţime $b% fig.1c

4ria suprafeţei limită apărută suplimentar ca urmare a ridicării acestor structuri încet din soluţie are pentru cadrul de sîrmă şi placă e"presia &

dA " # $l $d! $0%

a b &

Fig. '. @etode pentru determinarea tensiunii superficiale. a% 5 principiul metodei cadrului desirmă b% 5 principiul metodei cu inel de sîrmă c%5 principiul metodei cu placă

iar pentru inelul de sîrmă e"presia&

dA " # $d $ % $d! $D%

factorul de multiplicare $*%apare caurmare a faptului că suprafata nou formatăeste bilaterală pe inălţimea de ridicare $h%. 8entru ca aceste suprafeţe să apară

4


5/9

suplimentar la suprafaţa limită e"istentă este nevoie de o forţă $F% care pelungimea de e"tracţie $h% dă energia de mărire a suprafeţei limită ca fiind&

E " & $ d! $E%

!n aceste condiţii relaţia se poate scrie pentru metoda cadrului de sîrmă ainelului de sîrmă şi a plăcii ca fiind&

d % #

&

l #

&

d!l #

d!&

dA

dE σ

⋅⋅=

⋅=

⋅⋅⋅

== $%

mărimile & $% ) şi $d% sînt constante în condiţii date şi pot fi asimilate cu oconstantă $=% iar relaţia $% devine&

& k σ ⋅= $2%

!n figura 0 este reprezentată schema aparatutui pentru determinarea tensiuniisuperficiale prin măsurarea forţei $F% necesară realizării unei suprafeţe noisuplimentare prin metoda cadrului de sîrmă a inelului din sîrmă sau prin metodaplăcii

Fig.( 8rincipiul aparatului pentru determinarea tensiunii superficiale suplimentareprin metoda cadrului de sîrmă prin metoda inelului din sîrmă sau prinmetoda plăcii.

;lementul de bază al aparatului îl constituie o celulă dinamometrică electronicăde cîntărire de precizie $% montat pe un cadru transversal $% deplasabil lent şicontinuu cu o coloană $% pe verticală şi un sistem de ridicare coborîre formatdintr5un servomotor pas cu pas şi un traductor incremental de deplasare. La

5


6/9

metoda cadrului şi a inelului acestea se scufundă în soluţie şi se ridică încet cuviteză constantă din soluţie înregistrîndu5se electronic perechile de valori aleforţei de ridicare $F% în , şi ale deplasării pe verticală $h% în mm a căror reprezentare grafică arată ca in figura D la folosirea plăcii se procedează la fel

Fig.). 3urba caracteristică la determinarea tensiunii superficialeprin metoda cadrului de sîrmă prin metoda inelului din sîrmăsau prin metoda plăcii.

numai că aceasta se coboară numai pînă lichidul este atins de aceasta culatura inferioară. Cupă aceea se procedează la ridicare ca la metoda cadruluisau la cea a inelului. /rebuie specificat că la unele tipuri constructive de aparate

încercarea şi înregistrarea valorilor se face pe parcursul unui întreg ciclu care începe cu ridicarea filmului de lichid din soluţie trecere prin ma"im urmată dinnou de coborîrea în soluţie. ;vitarea ruperii filmului după depăşirea ma"imuluise face prin controlul atingerii ma"imului prin intermediul derivatei a 5a a forţei

$F% raportată la deplasarea $h% derivată care la ma"im are valoarea egală cuzero şi comandă imediat inversării sensului motorului pas cu pas $%. În aceastăe"ecuţie curba din figura $% este fie media valorilor de la urcare şi de la coborîrefie este formată numai din perechile de valori înregistrate la coborîre. 8entrumetoda inelului din sîrmă tensiunea superficială $σ % se calculează pentruacest procedeu prin relaţia&

f f r % '

& σ

# 1m

ma(

⋅⋅⋅⋅=

$G%

unde & r m 5 raza medie a ineluluif 5 factor de corecţie ce se calculează din geometria inelului $ rază

diametrul sîrmei% de diferenţa de densitate a fazelor şi valoareanumerică a termenului Fma".)0HIHr m pentru condiţii date factorul segăseşte în tabel

f 5 factor de corecţie ce ţine cont de abateri proporţionale date desuprafaţa libera a lichidului în vas de discrepanţa ce apare între

6


7/9

geometria ideală şi reală a inelului $abateri de circularitate şiplaneitate%. Factorul se determină prin calibrare cu lichide dereferinţă

Metoda măsurării înălţimii capilare se bazează pe măsurarea inălţimii

de ridicare a lichidului într5o coloană capilară ca urmare a forţei ascensionaledată de tensiunea superficială figura E. :n lichid urcă într5o capilară atîta timppînă cînd presiunea capilară a coloanei de lichid din capilară corespundepresiunii atmosferice deasupra meniscului de lichid din capilară din echilibrulforţelor se calculează tensiunea superficială.

Fig. *. 9chema de principiu la determinarea tensiunii superficiale

prin metoda capilară

;nergia $dE % pentru formarea coloanei capilare de lichid de inălţime $dh% aree"presia &

d!c)s& dE A ⋅⋅= ϕ $7%

iar suprafaţa umectată $d4% are e"presia &

d!r % # dA k ⋅⋅⋅= $% tensiunea superficială $σ % este dată de raportul dintre energia necesarăgenerării suprafeţei noi &

r % #

c)s&

d!r % #

d!c)s&

dA

dE σ

k

A

k

A

⋅⋅⋅

=⋅⋅⋅⋅⋅

== ϕ ϕ

$*%

7


8/9

unghiul de umectare $ϕ % este unghiul format între tangenta la meniscul de lichidşi peretele capilarei. La umectare ideală a materialelor ϕ + 7 şi ca atare cosϕ +. Forţa de greutate $greutatea% coloanei capilare este&

( ) ρ fluid # * aer fluid # * + , !r % ρ ρ, !r % & ⋅⋅⋅⋅≈−⋅⋅⋅⋅= $1%

La echilibru forţa ascensionale $F 4% dată de tensiunea superficială a lichiduluieste egală cu forţa de greutate $FJ% a coloanei capilare de lichid&

F 4 + FJ $0%

şi relaţiile $1% şi $0% devin&

ρ, !r % c)s

r % #σ fluid

# *

* ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅ϕ

$D%

de unde rezultă pentru lichide cu unghiul de umectare $ϕ % diferit de zero &

#σ

c)s ρ, !r σ fluid

* ϕ ⋅⋅⋅⋅= $E%

în condiţiile în care ϕ + 7 cosϕ + rezultă &

#

ρ, r !σ fluid

* ⋅⋅⋅= $%

avînd în vedere că mărimile & ρ, r fluid * ,, sînt constante în condiţii date ele potfi asimilate cu o constantă $=% relaţia $% devine&

!k σ ⋅= $2%

relaţie care arată dependenţa de direct proporţionalitate între tensiuneasuperficială $σ % a lichidului din coloană şi înălţimea $h% a coloanei capilare şicare stă de fapt la baza principiului metodei.

Metoda stalagmometrică este o metodă volumetrică ea se bazează pemăsurarea dimensiunii unei picături formate la capătul unei capilare$stalagmometru% alimentate cu lichidul analizat în momentul desprinderii .

8


9/9

Fig.+. @etoda stalagmometrică

acesteia de pe capătul capilarei. !n figura este prezentat principiul acesteimetode . ;valuarea volumului picăturii se poate face prin mai multe metodeprecum&

5 analiză video 5 opto5electronică5 prin numărarea numărului de picături formate şi desprinse în unitate de

timp şi raportarea la volumul total. /ensiunea superficială $σ % secalculează în acest caz prin relaţia&

n

ρ- f σ ⋅⋅= $G%

unde &# 5 volumul scurs ρ 5 densitatea

n 5 numărul de picături f 5 factor de corecţie se determină prin calibrare cu soluţii etalon

5 prin cîntărirea masei picăturilor ce cad pe o cuvă fi"ată pe o balanţăanalitică

Metoda injecţiei de bule gazoase constă în măsurarea presiunii la carenişte bule de gaz de mărime definită pot fi in6ectate în lichidul analizat.

9

Lucrare Determinarea Tensiunii Superficiale

Documents

Transcript of Lucrare Determinarea Tensiunii Superficiale