Способ определения изменения коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела твердое тело - жидкость

 

Использование: при изучении молекулярной физики, физики твердого тела, свойств жидкостей. Сущность изобретения: способ включает нанесение капли жидкости на поверхность твердого тела, измерение краевого угла у границы капли и определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости до и после воздействия физического фактора. В качестве твердого тела используют акустический волновод. Воздействие осуществляют путем возбуждения в волноводе низкочастотных ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны. Изменение коэффициента поверхностного натяжения жидкости определяют по формуле: Δσ(cosΘʹ-cosΘ)σ, где σ коэффициент поверхностного натяжения жидкости до возбуждения ультразвуковых колебаний, q и Θʹ краевой угол до и после возбуждения ультразвуковых колебаний соответственно. 4 ил.

Изобретение относится к средствам обучения и может быть использовано при изучении молекулярной физики, физики твердого тела, фазовых переходов, а также для изучения поверхностных явлений.

Известен способ определения краевого угла, заключающийся в формировании контакта жидкости с поверхностью прозрачной подложки, освещении пучком света, регистрации картины на экране, измерении параметра этой картины, по которому рассчитывают краевой угол [1] Известен способ измерения изменения коэффициента поверхностного натяжения жидкости при воздействии на нее физического фактора нагрева, включающий определение поверхностного натяжения жидкости до и после воздействия на нее конкретного параметра, определяющего нагрев, а именно температуры [2] Однако эти способы наглядно не демонстрируют физическую сущность изменения коэффициента поверхностного натяжения.

Технический результат изобретения состоит в повышении наглядности при демонстрации изменения коэффициента поверхностного натяжения при возбуждении упругих колебаний в волноводном тракте твердого тела.

Для этого в способе определения изменения коэффициента поверхностного натяжения жидкости на границе твердое тело жидкость, включающем нанесение капли жидкости на поверхность твердого тела, измерение краевого угла у границы капли и определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости до и после воздействия физического фактора, в качестве твердого тела используют акустический волновод, воздействие осуществляют путем возбуждения в волноводе низкочастотных ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны, изменение коэффициента поверхностного натяжения жидкости определяют по формуле: Δσ= (cosΘ'-cosΘ)σ где σ коэффициент поверхностного натяжения жидкости до возбуждения ультразвуковых колебаний; Θ и Θ' кpаевой угол до и после возбуждения ультразвуковых колебаний соответственно.

Жидкость в виде капли наносят на поверхность волноводного тракта, сообщают ему ультразвуковые колебания низкочастотного диапазона с амплитудой колебания, устанавливаемой по возникновению кавитационных пузырьков в капле жидкости. В процессе регистрации поверхностного натяжения между каплей и волноводом фиксируется краевой угол у границы капли до возбуждения ультразвуковых колебаний с последующей его фиксацией при прохождении ультразвуковых колебаний, а затем по разности полученных косинусов углов определяют изменение коэффициента поверхностного натяжения.

На фиг. 1 схематично изображено устройство, демонстрирующее предлагаемый способ, и эпюра напряжения в волноводном тракте (волноводе); на фиг. 2 взаимное расположение экрана, волновода и источника освещения; на фиг. 3 капля воды при выключенном вибраторе; на фиг. 4 то же, при включенном вибраторе.

Устройство содержит двухполуволновой λ 1) волноводный тракт 1, который помещают в ультразвуковой вибратор 2. При возбуждении ультразвука в волноводе возникают изменения плотности. При возбуждении ультразвука в волноводе возникают изменения плотности. Риски X_o-X₃ наносят на волновод согласно эпюрам 3 напряжения. Риски наносят на волноводе сверху, чтобы не искажать наблюдаемую картину. При этом X_o торец волновода, X₁ наносится на расстоянии λ/4 от торца волновода, X₂ на расстоянии λ/2, X₃ на расстоянии 3 λ/4.

Перед началом работы помещают горизонтально на оптическую скамью 4 между экраном 5 и осветителем 6. В точке X₁ на волноводе размещают каплю 7 жидкости, смещенную центром тяжести в сторону точки X₂. Если поместить каплю точно в точку X₁, то она при включении вибратора 2 может начать смещаться в точку X_o. Зарисовывают на экране 5 положение капли 7. Включают ультразвуковой вибратор 2, при этом капля жидкости перемещается по волноводу 1 и останавливается в точке X₂, занимая положение 8. Снова зарисовывают на экране 5 положение капли. Снимают экран 5 и определяют краевой угол: Θ в первом случае и Θ' во втором. Определяют Δσ.

Затем помещают каплю в точку X₃, смещенную центром тяжести в сторону точки X₂. Зарисовывают каплю в точке X₃, а затем после включения ультразвука и в точке X₂. Снова определяют Δσ.

Известно, что cos Θ=(σ_т-σ_тж)σ_ж где σ_т коэффициент поверхностного натяжения твердого тела, σ_тж коэффициент поверхностного натяжения между твердым телом и жидкостью, σ_ж коэффициент поверхностного натяжения жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения между твердым телом и жидкостью σ_тж в процессе измерения меняется мало и в первом приближении этим измерением можно пренебречь. Тогда (cos Θ'-cosΘ)σ_ж=σ_т Так определяется изменение коэффициента поверхностного натяжения и достигается поставленная задача.

П р и м е р. Проводилось определение изменения коэффициента поверхностного натяжения. Был использован ультразвуковой генератор типа УРСК-7Н-18 с акустическим узлом. Материал волновода титан (сплав ОТ-5). Резонансная длина волноводного тракта при λ 1 (двухполуволновой тракт) равна l=235 мм. Риски наносят на расстояние l/4= 58,75 мм, l/2=116,5 мм и 3l/4=176,25 мм от торца волновода. Краевой угол Θ' равен 35^о, а угол Θ равен 55^о. Коэффициент поверхностного натяжения воды σ_ж равен 0,073 Н/м. Изменение поверхностного натяжения твердого тела Δσ 0,018 Н/м.

Предлагаемый способ позволяет определить изменение коэффициента поверхностного натяжения, что играет немаловажную роль при изучении молекулярной физики твердого тела, фазовых переходов и при демонстрации физической сущности поверхностных явлений.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ, включающий нанесение капли жидкости на поверхность твердого тела, измерение краевого угла у границы капли и определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости до и после воздействия физического фактора, отличающийся тем, что в качестве твердого тела используют акустический волновод, воздействие осуществляют путем возбуждения в волноводе низкочастотных ультразвуковых колебаний в режиме стоячей волны, изменение коэ.ффициента поверхностного натяжения жидкости определяют по формуле Δσ = (cosΘʹ-cosΘ)σ , где σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости до возбуждения ультразвуковых колебаний;
q и Θʹ - краевой угол до и после возбуждения ультразвуковых колебаний соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4