Устройство определения силы адгезии жидкости и твердого тела

Устройство определения силы адгезии жидкости и твердого тела может быть использовано в технологии жидких кристаллов, в частности, при определении силы взаимодействия жидкого кристалла и подложки - с целью подбора материала подложки, позволяющего применять жидкокристаллические пленки в условиях воздействия вибрации и ударных нагрузок. Целью изобретения является определение силы адгезии жидкости и твердого тела. Измерение объемного расхода жидкости, используя при этом в качестве мерного сосуда объем одной капли, при равномерном течении жидкости через горизонтально расположенный капилляр позволяет определить силы адгезии жидкости с твердой поверхностью.

Предлагаемое устройство определения силы адгезии жидкости и твердого тела может быть использовано в технологии жидких кристаллов, в частности, при определении силы взаимодействия жидкого кристалла и подложки - с целью подбора материала подложки, позволяющего применять жидкокристаллические пленки в условиях воздействия вибрации и ударных нагрузок.

Измерение свободной энергии единицы поверхности (поверхностного натяжения) производится методом «счета капель» при помощи сталагмометра (рис.1), который представляет собой пипетку, имеющую две метки а и в; нижняя часть сталагмометра переходит в капилляр, конец которого утолщен и отшлифован для получения одинаковых капель [1]. Метод основан на том, что образующаяся на конце капиллярной трубки сталагмометра капля удерживается силой поверхностного натяжения.

Сталагмометр заполняют исследуемой жидкостью и считают число капель n, вытекающих из объема V. Затем его заполняют дистиллированной водой и считают число капель n₀, вытекающих из этого же объема V. Если из объема V вытекает n капель жидкости, имеющей плотность , то вес капли определяется по уравнению , где g - ускорение силы тяжести.

Сила поверхностного натяжения, удерживающая каплю, равна 2r; 2r - длина окружности капилляра, от которого отрывается капля. В момент отрыва капли ее вес равен силе поверхностного натяжения.

Для исследуемой жидкости

Для воды

где ₀ - поверхностное натяжение; ₀ - плотность; n₀ - число капель воды.

Поделив уравнение (1) на (2), получим откуда

Величины плотностей жидкости, воды и поверхностное натяжение воды _o находят по таблицам для соответствующей температуры, при которой производятся измерения.

Таким образом, вес одной капли жидкости пропорционален силе поверхностного натяжения

Следовательно, сравнительно высокая точность определения величины поверхностного натяжения сталагмометром показывает на постоянство величины объема одной капли.

Недостатками известного устройства являются:

1. Малый объем сталагмометра.

В сталагмометре (рис.1) сосуд V имеет вместимость 2 мл. В случае измерения силы взаимодействия частиц жидкости со стенкой капилляра потребуется установить стационарный режим течения в некотором интервале времени, длительность которого достаточна для регистрации микроскопических процессов адгезии. Для этой цели потребуется увеличить объем V до 2 л.

2. Вертикальность расположения капилляра сталагмометра.

а) При вертикальном расположении капилляра сталагмометра физическая картина взаимодействия частиц жидкости с поверхностью твердого тела затемняется действием силы тяжести, в результате чего появляется дополнительная сдвигающая сила, направленная вниз по вертикали.

б) Из-за действия силы тяжести в уравнении движения жидкости в капилляре вертикального расположения необходимо учитывать ускорение жидкой частицы, т.е. в рассмотрение сил добавляется силы инерции.

3. Масштаб измерения.

Масштаб измерения объемного расхода с использованием полного объема капли (например, равному 46 мкл) в сталагмометре значительно превосходит требуемый масштаб измерения объемного расхода (измеряемый в долях мкл) при определении силы взаимодействия частиц жидкости с поверхностью твердого тела.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа:

1. Использованием мерного сосуда с капилляром V (рис.2) вместимостью 2 л в отличие от сталагмометра (рис.1), имеющего сосуд V вместимостью 2 мл. Пространство ниже уровня капилляра исполняло роль гравитационного уловителя от возможных примесей.

2. На боковой стороне модифицированного сталагмометра расположен капилляр 1 на расстоянии 3 см от дна сосуда V. (рис.2) в отличие от сталагмометра, использующее вертикальное расположение капилляра. Тем самым исключается из рассмотрения силы инерции или иными словами рассматривается равномерное движение в капилляре. Для обеспечения равномерного движения жидкости в капилляре 1 в сосуде V уровень жидкости поддерживался постоянным.

Еще Леонардо да Винчи при исследовании природы трения использовал принцип исключения сил инерции из рассмотрения. Наиболее простой прием состоял в том, что сделать процесс трения равномерным. Для этой цели он применил горизонтально расположенные трущиеся твердые поверхности.

Подтверждается нижеприведенными расчетами:

Для проведения расчета умножим обе части уравнения расхода жидкости на плотность

где Q - объемный расход, S - площадь поперечного сечения капилляра, v - скорость течения. Учитывая при этом формулу импульса силы Ft=Wv, а также объем W=SL можно прийти к такому равенству

В работах [2, 3] при помощи модифицированного сталагмометра показано, что при расходе 1 мкл/с (1 лмб/с [4]) наблюдается когезия частиц текущей воды к "поверхности" пристенного слоя. При этом скорость течения v=3.18·10^-2 м/с, длина трубки L=3.2·10^-2 м, радиус капилляра r=1·10^-4 м. Подставляя указанное значения объемного расхода, равному 1 мкл/с, в (6), вычислим

F=QL/t=(1·10^-9 м ³/с)(1·10³ кг/м ³) (3.2·10^-2 м)/1 с 3.2·10^-8 Н.

В этой связи, используя метод размерности [5], из выражения (6) можно вычислить сдвиговое напряжение F/S, возникающее в граничном слое

где - кинематическая вязкость воды

или

F=S/t=(1·10^-6 м ²/с)(1·10³ кг/м ³)(3.14·10^-8 м ²)/1 с 3.14·10^-11 Н.

"Прилипание" частиц ламинарного потока к частицам на "поверхности" граничного слоя показывает, что между частицами действуют силы притяжения. При некотором равновесном расстоянии силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешиваются и система из двух (или более) молекул будет обладать минимумом свободной энергии. Причем молекула жидкости на "поверхности" граничного слоя находится в энергетической потенциальной яме. В случае, когда молекула удаляется от равновесного положения, должна возникнуть возвращающая сила, которая может вернуть ее обратно. В этой связи оценим приблизительное значение потенциальной энергии, приняв, действующую в ней возвращающую силу, равной сдвиговому усилию из уравнения

(7). Предположим, что полуширина молекулярной энергетической ямы «поверхности» граничного слоя U равна размеру молекулы r. Тогда среднее значение возвращающей силы есть

Подставляя значение сдвигового усилия F, вычисленное по уравнению (7), получим для молекулы воды

U=(3.14·10^-11Н)(3·10 ^-10 м)0.94·10^-20 Дж 0.059 эВ

(Для сравнения - энергия фазового перехода льда в жидкое состояние равняется 0.062 эВ).

Список использованной литературы:

1. Липатников В.Е., Казаков К.М. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высш. шк., 1975. - С.161.

2. Ванчиков В.Ц.. Гидродинамические свойства и методы управления вязким подслоем технических систем. Канд. дис. Улан-Удэ: Восточ. - Сибир. гос. тех-нол. ун-т, 2001. - 130 с.

3. Ванчиков В.Ц. Микроскопические изменения в контактных системах. // Вестник машиностроения. - 2005. - Вып.8. - С.32-33.

4. Чертов А.Г. Единицы физических величин. - М.: Высш. шк., 1977. - С.205.

5. Емцов Б.Т.. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1978. - С.136-141.

Устройство определения силы адгезии жидкости и твердого тела, состоящее из мерного сосуда с капилляром, отличающееся тем, что используют сосуд вместимостью 2 л, капилляр расположен на боковой стороне мерного сосуда горизонтально на расстоянии 3 см от дна сосуда.