H iện nay người ta sử dụng r ấ t nhiều phương p h á p k h á c n h a u đ ể xác đ ịn h sức căn g bề mặt. Song được sử dụng phố biến n h ấ t là các phương pháp sau: xác đ ịn h sự biến đổi mực c h ấ t lỏng tro n g mao quản, cân giọt c h ấ t lỏng, phương p h á p Lecomte du Nouy, b ản p h ẳ n g L. W ilhelm y, áp s u ấ t cực đ ại của b ọ t k h í, xác đ ịn h hình d ạn g giọt và bọt k h í v.v... T rong giáo t r ì n h chì tr ìn h b à y nguyên tắc của một sô' phương p h áp th ô n g dụng.
i - X ác đ ịn h sự biên đ ổ i mực c h ấ t lỏn g tr o n g mao q u ả n
N h ú n g m ộ t phần mao quản th ủ y tin h vào nước. Do d ín h ướt th à n h ỏng, n ê n tr o n " mao quan hề m ặ t c h ấ t lỏng h ìn h t h à n h m ặ t khum lõm áp s u ấ t hơi t r ê n bề m ặ t này th ấ p hơn so với m ặ t p h ẳ n g (theo phương tr ìn h 2.17a). Lực kéo c h ấ t lỏng theo t h à n h ông lam rhu nó d â n g lê n cho đến khi tr ọ n g lượng của cột (chất lỏng) cân b ằn g VỚI lựp lác dụng.
C húng ta sẽ khảo s á t tr ạ n g th á i cán b à n g h ai p h a a và p p h a u cách n h a u bởi bề m ặ t cong (H.2.7). ơ chiều cao h = 0 (ứng VỚI m ặ t p h ã u g ì ap s u ấ t cả 2 p h a khi cân b ằng đều có giá tr ị b ằ n g p ° . ơ độ cao h cua m ặt k h u m có áp s u ấ t . Trong p ha p : pp th ấ p hơn mức h = 0 m ộ t giá tr ị bàng áp s u ấ t th ủ y tĩn h của cột c h ấ t lỏng có chiều cao h, - có n g h ĩa là:
p ° - p P = g h ( d í5- d a ) (2.18)
tr o n g đó: d ơ , - là khôi lượng riê n g của các p h a a v à p.
T h ay giá tr ị pa - p ^ theo phương tr ìn h (2.12) v à tín h b á n k ín h m ặ t k h u m r theo b á n k ín h mao quản R0 : R0 = r c o s 0 (n h ư H.2.7) sè th u được phương tr ìn h sau:
g = 1 R ọ g h (d P -d ) ( 2 19)
2 C O S 0
Nếu a là hơi hay khỏ n g khớ, th ỡ da là n h ỏ ( d p ằ d a ) n ờ n cú th ể bỏ qua s ố h ạ n g da .
T ro n g trường hợp c h ấ t lỏng k h ô n g d ín h ướt t h à n h mao quản cos 0 < 0 và phương tr ìn h (2.19) cho h < 0, - có n g h ĩa là mực c h ấ t lỏng tro n g mao q uản th ấ p hơn m ặ t phẳng, n h ư trường hợp th ủ y n g â n tr o n g mao quản thủy t in h (H.2.8).
H ỡnh 2.7ằ H iện tượng mao d ẫ n k h i chất lóng d ín h ướt thanh HLƠO quán
I h n h 2.S. Hiộìí tượng m ao d ẫ n kin chất lỏng k h ô n g d ín h ướt
th à n h mao quản
H iện tượng1 d ăng lún hav tụt xuồng của mực c h ấ t lỏng tro n g mao quản (n h ư -tr ẽ n đã núi; - goi la h iệ n tượng mao d ẫ n (hay h iệ n tượng mao quản).
P hư ơng p h áp mao quản là m ột tro n g n h ữ n g phương p h á p c h ín h xác n h ấ t đế xác định các dại lượng tương ứng tr o n g phương t r ìn h (2.19), - đặc b iệ t là xác định a , vì thực t ế nó dựa t r ê n cơ sở lý th u y ế t đúng đ ắ n và thực n g h iệ m có th ể tiến h à n h kiểm t r a m ột cách dễ dàng và ch ín h xác (dặc b iệ t là k h i c h ấ t lỏng h o àn to à n dính ướt t h à n h mao quản). Nếu thực n g h iệ m ti ế n h à n h tr o n g điều k iện t h ậ t n g h iê m n g ặt: mao quản h o àn to à n sạch, đ ặ t t h ẳ n g đứng, t i ế t diện mao quản đều và d ụ n g cụ đo ch ín h xác, th ì có t h ể th u được k ế t quả với sai sô chỉ vài p h ầ n nghìn.
2- P hương p h á p cản g i ọ t c h ấ t lỏn g
Đó là m ột phương p h á p k h á ch ín h xác, được sử d ụ n g tương đôi phổ biến tr o n g ph ò n g th í n g h iệ m để xác định sức căng bề m ặ t t r ê n r a n h giới lỏng - khô n g k h í và lỏng - lỏng.
Nguyên tắ c đo n h ư sau: th u các giọt c h ấ t lỏng h ìn h t h à n h dưới mao q uản (H.2.9), cân đ ể xác đ ịn h ch ín h xác khôi lượng m ộ t giọt b ằ n g phép lấy tr u n g bình.
H ìn h 2.9. P hương p h á p cân bằng giọt chất lỏng
(m ộ t giọt và mao q u ả n
Biểu thứ c toán, - đồng thờ i cũng được xem là đ ịn h lu ậ t T ate T. có d ạ n g đơn g iản sau:
w = 2tĩR ’0 g (2.20)
được p h ó n g đại)
Nguyên n h â n có sự xuất h iệ n sức c ă n g bề m ặ t ở đ ây là lực cực đại giữ giọt c h ấ t lỏng, nó đúng b ằ n g sức că n g bề m ặ t gây r a t r ê n to à n chư vi của mao quản (có b á n k ín h R'0 ). Song có điều là, khôi lượng đo được w ’ thường nhỏ hơn giá tr ị “lý tưởng” w, do tín h k h ô n g b ền cơ học của “cái đuôi” giọt c h ấ t lỏng. Khi tá c h ra khỏi mao quản, giọt n h ỏ chỉ c ắ t đúng chỗ k h ô n g bền n h ấ t của “cái đuôi” của nó và luôn đ ể lưu lạ i ở đầu m ao quản đ ến 40% khối
H ình 2.10. Quá tr ìn h rơi của g iọ t c h ấ t lỏng dưới mao quản
H a rk in s W.D. và Brown F.E. đ ã đề n g h ị hiệu ch ỉn h w' theo phương t r ì n h sau:
w ’ = 27tR0ơ f* (2.21)
tro n g đó: f *(R0 / v 1/3) í+) - hệ sô" h iệu ch ỉn h , V - t h ể tích của giọt.
Vậy, nếu thực n g h iệ m xác đ ịn h được m - k h ô i lượng m ộ t giọt, th ì th ô n g qua khôi lượng r iê n g d tín h được V và t r ê n cơ sở đó t í n h R0 / v1 / 3 . Dựa vào các giá tr ị R0 / v 1/3- có th ê tìm được f* tr o n g các sổ ta y về sức căn g bề m ặ t ( R0 / v1 / 3 có giá t r ị vào k h o ả n g 0,5 - 1,2 n ê n f* b iến đổi k h ô n g nhiều).
N hư vậy, xác đ ịn h sức căng bề m ặ t th e o phương p h á p tr ọ n g lượng (hay t h ể tích) có t h ể dựa theo phương t r ì n h (th a y w = m g h a y Vdg vào phương t r ì n h (2 .2 1 ):
ơ - 1 - = —V--g - (2 .2 2 )
2rcR0f * 27ĩR0f *
Trường hợp c h ấ t lỏng k h ô n g d ín h ướt t h à n h mao quản ( R0 là b á n k ín h trong), cần dùng dụng cụ đ ể điều k h iể n cho tốc độ của các giọt rơi ch ậm (~1 p h ú t / giọt), ví dụ nốì mao q u ản với buret. P hư ơng p h á p n à y có th ể dùng để đo sức căn g bề m ặ t t r ê n r a n h giới lỏng - lỏng với việc sử dụng phương tr ìn h (2 .2 1 ), nhưng cần tí n h giá t r ị w v à m tương ứng của c h ế t lỏng kia.
r ) Có tác giả đề nghi sử dung hê sô' hiệu chỉnh <I> = —
f *
3- P h ư ơ n g p h á p kéo vòng Lecom te d u Nouy
P h ư ơ n g p h áp do du Nouy đề x uất (1919), dựa tr ê n nguyên tắ c xác đ ịn h lực kéo vòng kim loại ra khỏi bề m ặ t c h ấ t lỏng. Dụng cụ đo được b ố tr í như hình 2.11, - gọi là dụng cụ đo sức căng bề m ặ t du Nouy.
Đ iều k iệ n là xem như có cân b ằ n g các lực sau:
w t ổ n g = w k + 4j iR 0ơ ( 2 . 2 3 )
tro n g đó w k - khôi lượng của vòng.
Đ ể k h ắ c phục sai scí lớn của phương pháp đo v ò n g được dùng có tiế t diện lớn, sử dụng th ê m hệ sô hiệu c h ỉn h p' (đê bù t r ừ sự biến d ạn g m ặ t p h ẳ n g k h i kéo vòng).
P" = —= cp(Rẳ/V, R0 / r 0) (2.24)
p
tr o n g đó p - sức căng bề m ặ t “lý tưởng” được tín h theo phương t r ì n h (2.23), V - t h ể tíc h m ặ t cong, r0- bán kính t i ế t diện vòng, R 0- b á n k ín h của vòng.
Sau k h i h iệ u chỉnh có th ể tín h theo phương tr ìn h sau:
ơ = p 'f
4nRr (2.24a)
* ' v~ * 0
tr o n g đó: f - lực kéo vòng (dyn), R0- b á n k ín h vòng.
H ệ SÔI hiệu chỉnh P’ có th ể t r a tr o n g các bảng ở sổ tay về sức căng bề m ặ t hoặc dựa vào đồ th ị H arkins W.D, J o r d a n H.F, cù n g có th ế tín h được
P' th e o phương tr ìn h Znidema, W aters:
4b f
<p'-a )z =
7ĩ2r 2 47iR0 ( d 1 - d 2 )+ c (2.25)
Cân
H ìn h 2.11. D ụ n g cụ do sức căng bề m ặ t bằng p h ư ơ n g p h á p kéo vòng
d u N o u y
Ro N
H ình 2.12. Các đường p' p h ụ thuộc vào R q /v và R0 / r0 theo p h ư ơ n g ph á p
Lecomte d u N o u y
ở đây d i , (Ỉ2 - khôi lượng riê n g của c h ấ t lỏng ở dưới v à t r ê n vòng;
a = 0,7250 và b = 9,075.10 đối với mọi loại vòng; c = 0,04534 - 1,679 r° . Vòng được sử dụng ở đây thường là m b ằ n g Pt (nói chung, tùy thuộc vào môi trường đo mà có t h ể sử dụng các v ậ t liệu th íc h hợp, n h ư benzen tr o n g nước - dùng vòng là m b ằ n g c h ấ t ky nước).
Phương p h áp đo có th ể đ ạ t độ c h ín h xác k h á cao.
Đồ th ị biểu diễn quan hệ; p' = cp(Ro / V, R0 / r 0) có d ạ n g sau:
4- Phương p h á p m àng W ilhelm y L.
N hư phương pháp kéo vòng, tro n g phương p h á p n ày tr ọ n g lượng của b ả n m ỏng (thủy tin h h ay P la tin ) được n h ú n g tro n g c h ấ t lỏng cân bằxig với lực gây n ê n do sức căng bề m ặ t tác dụng lê n chư vi của đầu b ả n m ỏ n g theo phương t r ì n h sau (ứng với góc d ín h ướt 0 = 0 ):
w t ổ n g = w b ả n + ơ 2 ( x + y ) ( 2 . 2 6 )
hay: Aw = 2(x + y)ơ
tro n g đó w tông- lượng cân chung to à n bộ; w bản - khôi lượng b ả n k h i khô; X, y - chiều dài v à rộ n g của đầu b ản (ch ạm m ặ t c h ấ t lỏng). N guyên tắc sơ đồ thực n g h iệ m n h ư h ìn h 2.13.
N g ày n ay người t a th ư ờ n g dùng phương p h á p n â n g c h ấ t lỏ n g lên đến k h i c h ạ m bản. B ả n m ỏ n g được nối với cân đ iện có bộ p h ậ n tự ghi.
Công thức tổ n g q u á t h ơ n có d ạ n g sau:
ƠCOS0 = A w /2 (x + y ) (2.27) tr o n g đó Àw - sự b iế n đổi lượng cân của b ả n có n g h ĩa là lực tá c dụxig lên b ả n k h i nó tiế p xúc với c h ấ t lỏng).
Phương t r ì n h th íc h hợp cho cả khi Phương p h áp W ilhelm y r ấ t th u ậ n tiệ n cho việc n g h iê n cứu sự h ấ p phụ tr ê n bề m ặ t c h ấ t lỏng hay đơn lớp, tuy k h ô n g cần h iệu c h ỉn h n h ư n g cũng có t h ể đ ạ t độ chính xác đ ến 0 ,1 %-
H ìn h 2.13. S ơ đồ nguyên tắc cấu tạo d ụ n g cụ đo sức căng bề m ặ t theo
phương p h á p W ilhelm y L
góc d ín h ướt k h á c khô n g (0 * 0 ).
Chương 3
S ự HẤP PHỤ TRÊN RANH GIỚI■ ■