Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Приборы и методы исследования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике - 6
1.1. Оценка свойств жидкости в капиллярной гидродинамике - 6
1.2. Обзор и анализ методов и устройств для измерения поверхностного натяжения жидкостей - 9
1.3. Обзор и анализ методов и устройств по измерению напряжения начального сдвига - 16
1.4. Анализ устройств для измерения вязкости жидкости - 21
ГЛАВА 2. Устройства для диагностики вязкости и касательного напряжения сдвига жидкости -26
2.1. Исследование динамики капиллярного натекания - 27
2.1.1. Капилляр расположенный горизонтально - 29
2.1.2. Проведение эксперимента и исследование профиля скорости в капилляре -32
2.1.3. Капилляр расположенный под углом к горизонту - 38
2.2. Способ измерения относительной вязкости биологической жидкости - 46
2.3. Вискозиметр для биологических жидкостей - 52
2.4. Установка для исследования движения границы раздела жидкости в вертикальном капилляре - 57
2.5. Исследование напряжения начального сдвига при изменении толщины прослойки жидкости - 66
ГЛАВА 3. Методы исследования гистерезиса смачивания -70
3.1. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью плоского капилляра - 70
3.2. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью цилиндрического капилляра - 78
3.3. Исследование гистерезиса смачивания с помощью металлических и диэлектрических подложек различной геометрии - 85
3.3.1. Угол оттекания в металлических и диэлектрических капиллярах различной геометрии - 86 3.3.2. Исследование растекания жидкости по горизонтальным металлическим и диэлектрическим подложкам - 92
Заключение - 106
Список литературы
- Обзор и анализ методов и устройств для измерения поверхностного натяжения жидкостей
- Анализ устройств для измерения вязкости жидкости
- Капилляр расположенный под углом к горизонту
- Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью цилиндрического капилляра
Введение к работе
Актуальность темы:
Исследование свойств и характеристик жидкостей, таких как поверхностное натяжение, вязкость, процесс растекания жидкости по твердой подложке, требуются во многих отраслях промышленности: в нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в химической технологии, в хроматографии и фармакологии. Важной особенностью поведения жидкости является ее растекание по твердой поверхности. Например, нанесение пленок, струйная печать, методы оценки степени чистоты твердых поверхностей, третичные способы вытеснения нефти из недр основаны на явлении смачивания жидкости твердых поверхностей.
Однако, несмотря на широкое использование явления смачивания в современных технологиях, существует еще большое количество нерешенных проблем в этой области, так как все межфазные эффекты весьма чувствительны к примесям и физическому состоянию поверхности (шероховатостям, дислокациям). Кроме того, межфазную поверхность твердое тело - жидкость исследовать существенно сложней, чем, например, поверхность твердое тело - вакуум. Особое внимание при изучении растекания следует уделять двум подобным неравновесным явлениям - гистерезису краевых углов, связанному с зацеплением линии контакта за локализованные дефекты, и режиму «сухого растекания», когда конечное состояние растекшейся капли может быть пленкой значительно превышающей толщину мономолекулярного слоя. Еще одним деликатным вопросом является динамика растекания, которая указывает на различие между простыми жидкостями, растекающимися накатыванием на поверхность и расплавами полимеров, которые могут скользить по поверхности подложки.
Для изучения этих неравновесных явлений используются в основном оптические и волновые методы исследования, что делает их достаточно дорогостоящими и трудоемкими. Но практически все экспериментальные методы, использующие электронные пучки, за исключением некоторых (флуоресценция, ЭПР и др.), не могут быть применимы для исследования жидкостей, либо их область применения слишком ограничена. Это касается и электрохимических методов исследования. Другими словами, в настоящий момент все еще существует необходимость создания приборной и методической базы для исследования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике, которые бы позволяли оперативно определять поверхностное натяжение, относительную вязкость и напряжение начального сдвига жидкости.
Цель и задачи работы.
Основной целью работы являлась разработка устройств и методов исследования свойств жидкости, определяющих поведение жидкости в капиллярной гидродинамике. При этом ставились следующие задачи:
Разработка устройств для исследования вязкого трения при капиллярном натекании и проведение с их помощью экспериментов по выявлению характера течения жидкости.
Разработка устройства для исследования напряжения начального сдвига.
Разработка методик для исследования гистерезиса смачивания и растекания жидкости по твердой подложке.
Научная новизна работы
Предложен новый способ для измерения относительной вязкости жидкости и разработано устройство, реализующее данный способ.
Обнаружен скачкообразный характер движения жидкости по вертикальному капилляру и предложена методика фиксации прекурсионной пленки, предшествующей растеканию, с помощью созданной установки для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилля-
РУ-
Предложена оценка напряжения начального сдвига и впервые исследована его зависимость от толщины пленки жидкости с использованием разработанного для этого устройства.
На основании методики исследования растекания жидкости по твердой подложке предложена математическая оценка краевых углов натекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм.
Практическая значимость
Разработанные новые способ и устройство для измерения относительной вязкости жидкости позволяют оперативно и достоверно определять относительную вязкость исследуемой жидкости и дополнительно определять коэффициент поверхностного натяжения жидкостей для текущих значений температуры и влажности.
Создана установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру, благодаря которой можно исследовать характер капиллярного натекания и регистрировать краевые углы смачивания.
Разработанное устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости позволяет исследовать зависимость напряжения начального сдвига от толщины пленки жидкости.
Разработана новая методика исследования гистерезиса смачивания жидкостей и предложен критерий оценки краевого угла натекания при растекании жидкости по твердой подложке.
Достоверность и обоснованность результатов
Достоверность и обоснованность результатов исследования достигается физической обоснованностью поставленных задач, логической взаимосвя-
зью полученных результатов, объемом экспериментальных данных, применением статистических методов обработки экспериментальных данных и сравнением их с результатами других исследований, согласием расчетных и экспериментальных характеристик.
Личный вклад автора диссертационной работы
Диссертационная работа является полностью самостоятельной работой автора и написана по результатам исследований, выполненных лично автором, либо при его непосредственном участии.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции "Измерительные и информационные технологии в охране здоровья МЕТРОМЕД-2007. (г. Санкт-Петербург, 17-19 апреля 2007г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ-2007) (г. Барнаул, 17-20 октября 2007 г.); Международной научной конференции «Exploitation of agricultural and food industry by-products and waste material through the application of modern processing techniques» (г. Бухарест, Румыния, 1-3 июля 2008); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ-2008) (г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г.)
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ.
Структура и объем диссертации
Обзор и анализ методов и устройств для измерения поверхностного натяжения жидкостей
В настоящее время исследования в области смачивания и капиллярных явлений продолжаются, что обусловлено их важностью как в различных областях науки, а также широким спектром практических приложений. Существуют работы, в которых описываются контактные и бесконтактные методы экспериментального исследования поверхностного натяжения жидкостей. На легкоподвижных границах «жидкость-газ» или «жидкость-жидкость» поверхностное натяжение можно измерить, например, по массе капли, отрывающейся от конца вертикальной трубки (сталагмометра); по величине максимального давления, необходимого для продавливания в жидкость пузырька газа; по форме капли, лежащей на твердой или жидкой поверхности. Данные методы описаны в работах Я.Е. Гегузина [43]; С. Оно, С. Кондо [44]; Г.И. Арановича, Ю.Н. Коршунова, Ю.С. Ляликова [45]; П.П. Арсентьева [46] и других работах [47-52].
Коэффициент поверхностного натяжения а численно равен работе квазистатического процесса по созданию поверхности раздела фаз, отнесённой к единице площади этой поверхности и взятой со знаком минус [47]. (8А Л SA -odS; - [- j, (1.3) где ёАкв — работа квазистатического процесса по созданию поверхности раздела фаз, dS — площадь поверхности.
Уравнения (1.3) лежат в основе ряда методов экспериментального изучения поверхностного натяжения. Их сущность состоит в изменении площади пленки жидкости, находящейся в проволочной рамке. Одним из таких методов является эксперимент Дюпре (рис. 1.1). На проволочную рамку А помещают прикрепленный к петелькам В и К проволочный барьер С, с прикрепленным грузом Р. Между барьером и рамкой находится тонкая плёнка жидкости. Если увеличить груз Р на очень малую величину сіР, то барьер опустится вниз, пройдя некоторый путь dh. Это увеличит площадь плёнки на 2bdh (коэффициент 2 означает, что плёнка двусторонняя). Работа, совершаемая при перемещении груза, 8А = Pdh. А Рис. 1.1 - Схема эксперимента Дюпре. Эта же работа по абсолютной величине ЗА = 2abdh. Следовательно, Р а- — 2Ъ. (1.4) Если заменить плоскую двустороннюю плёнку цилиндрической, а проволочный барьер — кольцом радиуса г, то Р сг = Am (1.5) Метод, основанный на определении поверхностного натяжения по силе, вызывающей удлинение цилиндрической плёнки вплоть до её разрыва был предложен дю Нуи. Сила отрыва кольца по этому методу измеряется с помощью крутильных весов. Вследствие того, что плёнка жидкости не имеет строго цилиндрической формы, а кольцо неидеально смачивается жидкостью, точность таких измерений невысока. Метод проволочной рамки и метод кольца применяется для грубых измерений поверхностного натяжения.
К этой группе методов относится и метод отрыва цилиндра, который предназначен, в основном, для измерения поверхностного натяжения расплавов и также имеет невысокую точность. Предполагается, что вертикальные стенки цилиндра не смачиваются во время эксперимента. Сила F (рис. 1.2) равна силе тяжести жидкости, поднимаемой выше горизонтальной поверхности расплава, и, учитывая, что объем поднимающейся жидкости равен отношению V = F/pg, где р — плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, можно записать уравнение:
Методы, основанные на использовании уравнения (1.7), называются капиллярными. В капиллярах сравнительно большого диаметра, а также в -случае висящей [53] или лежащей капли необходимо учитывать влияние силы тяжести [3] на форму поверхности жидкости. Определение поверхностного натяжения по высоте поднятия жидкости проводят, как правило, в капиллярах небольшого диаметра. Капиллярный метод определения поверхностного натяжения считается одним из самых точных экспериментальных методов. Но как показывает практика, этот метод не является таковым, если пренебрегать, например, кривизной мениска жидкости, адгезионными свойствами капилляров и гистерезисом краевых углов смачивания [1,2,11,12].
Одним из капиллярных методов является метод висячей капли. Этот метод применяют для измерения о активных и тугоплавких материалов, для которых трудно подобрать материал капилляров или подложки. Применяют его в основном для получения ориентировочных результатов и различного рода технологических испытаний.
Данный метод основан на анализе условий равновесия висящей капли. Для сечения отрыва капли (рис. 1.3) справедливо соотношение: 2лх т$\п(р = Vpg + 7ix2Ap. (1.9) Выражая перепад давления Лр из (1.8) и подставляя его в (1.9) получим выражение для расчета а: Vpg - a(27ixsin(р-7ix2 /R}). (1-Ю) Существует метод измерения поверхностного натяжения по весу капли. Данный метод основан на том, что вес (сила тяжести) капли при медленном вытекании жидкости через отверстие радиусом г превышает силу поверхностного натяжения. Расчет ведут по формуле: - IS C =( pg/27zr)F,, (1.11) где значения функции Fd определяют по таблицам.
Этот метод используют, например, для определения поверхностного натяжения тугоплавких металлов и сплавов при высоких температурах. Вместо капилляра используют стержень исследуемого материала и при помощи электронно-лучевого или плазменного нагрева образуют на его конце каплю. Оторвавшиеся капли попадают в водоохлаждаемый приемник, где кристаллизуются. Из результатов взвешивания N капель определяют массу одной капли, а далее по формуле (1.11) рассчитывают а. Недостатком метода является невысокая точность.
Методом определения коэффициента поверхностного натяжения на границе раздела жидкость-жидкость является способ, с использованием сталагмометра, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.4 [4]. Основной частью прибора служит микрометр 1, обеспечивающий фиксированное перемещение поршня 3 в цилиндрическом стеклянном корпусе 4. Шток поршня 3 соединен с пружиной 2, благодаря чему исключается его самопроизвольное перемещение. Микрометр с цилиндром укреплены с помощью скобы 14 и втулки 13, которая может свободно передвигаться по стойке штатива 11 и фиксироваться на любой ее высоте винтом 12. На наконечник цилиндра надет переводник 10, в который плотно входит капилляр 9. При вращении микровинта 1, шток поршня 3 движется вниз, перемещаясь в корпусе цилиндра, заполненного исследуемой жидкостью и выдавливает ее из кончика капилляра 9 в виде капли 6 в другую жидкость 8. При достижении критического объема, капля отрывается, всплывает и образует слой 5. Поверхностное натяжение рассчитывалось по формуле: a = kV(pl p2), (1.12) где V - объем всплывшей капли в делениях микрометра; к — постоянная капилляра; оценивалось по жидкостям с известным значением а; /?/ - плотность известной жидкости, кг/м ; р2 - плотность исследуемой жидкости, кг/м .
Анализ устройств для измерения вязкости жидкости
Можно заметить, что характер течения в этих трубках практически не изменился, при этом максимальные высоты поднятия оказались выше, а скорость движения мениска ниже, чем в экспериментах, представленных на графиках 2.4-2.5 (капилляры из стекла марки ХС-3). Вышеупомянутые марки стекла различаются главным образом содержанием оксидов натрия и калия, так, в ХС-3 содержится 14,5% Na2U и 1% КЮ, а в стекле №23 - 9,4% Na20 и 7,1% К20.
Как следует из формулы Лапласа (2.11) где /?/, ІІ2 — максимальные высоты поднятия, a rh г2 — радиусы двух сравниваемых капилляров. Коэффициент а = 1, если капилляры изготовлены из одного материала и имеют одинаковые адгезионные свойства. Если же а Ф 1 то, марки стекла этих двух капилляров различны и следует делать поправку на различные адгезионные свойства материалов. Для капилляров, представленных на рис. 2.4-2.5 (из стекла марки ХС-3), а = 1 с экспериментальной точностью. То же можно сказать и о капиллярах из стекла марки №23, представленных рисунками 2.6-2.7. Однако, если сравнивать между собой эти два сорта трубок, то различие адгезионных свойств приводит к а 0,86.
Кроме того, как уже отмечалось, профиль скорости в капилляре, строго говоря, нельзя считать пуазейлевским. Из (2.12) и (2.14) можно найти поправку подставив известные параметры: коэффициент кинематической вязкости жидкости v, радиус капилляра R, коэффициент к и максимальную высоту поднятия h. Среднее значение в для капилляров, приведенных на рис. 2.2-2.5 составляет -3,7, а для капилляров из стекла марки №23 (рисунки 2.6-2.7) 5,5, что отличается приблизительно в 1,4 и в 2 раза соответственно от коэффициента в = 8/3, который соответствует пуазейлевскому профилю скорости.
Следует отметить, что экспериментальные значения в для спирта и трансформаторного масла несколько отличались: так, для капилляров из стекла марки ХС-3 в 3,9 для спирта и в 3,5 для трансформаторного масла, а для капилляров, из стекла марки №23 в 5,7 для спирта и 0 5,3 для трансформаторного масла. Так как отличие составляет -10%, что близко к точности эксперимента, то окончательные выводы о зависимости в от вязкости жидкости делать преждевременно.
Если говорить о сравнительных методах измерения вязкости с использованием системы из двух капилляров, то еще раз отметим, что капилляры должны быть изготовлены из одинакового материала и откалиброваны на жидкостях с известной вязкостью. Предложенный способ был опробован на спирте и трансформаторном масле ГК, физические параметры которых хорошо изучены. Затем с помощью изложенного метода были проведены эксперименты и получены кривые, подобные описанным выше для масел Мобил и Рапс и оценены их коэффициенты вязкости. Так, например, для Рапса получено значение коэффициента кинематической вязкости v = 67 мм7с при температуре 25,6С.
В заключение этого пункта отметим, что в экспериментах получено, что при заполнении капилляров профиль скорости течения при малых числах Вебера может существенно отличаться от пуазейлевского, и величина этого отличия зависит от адгезионных свойств материала. Также следует сделать вывод о важной роли адгезионных свойств материала поверхностей растекания при движении жидкостей, и оценена поправка, позволяющая учитывать это обстоятельство [87].
Вернемся теперь к более общему случаю расположения капилляра под углом к горизонту. В работе [92], при решении задачи затекания проводящей жидкости в капилляр численным методом было получено время заполнения капилляра и стартовая скорость заполнения цилиндрического капилляра в поперечном магнитном поле. Получение решения нелинейного уравнения, которым описывается капиллярное затекание жидкости, не вызывает особых затруднений при современной базе компьютерной техники и соответствующих вычислительных методах. Сложнее провести исследование зависимости полученного решения от параметров задачи, многообразие изменения которых существенно усложняет анализ. Поэтому в предлагаемом исследовании ставилась задача не только получения численного решения уравнения затекания жидкости в капилляр, но и поиска аналитического аналога, который позволил бы предсказать ход капиллярного затекания, при изменении физических условий задачи.
Как уже было отмечено, полученное выше нелинейное дифференциальное уравнение (2.5) для процесса заполнения пустого капилляра не удается решить аналитически. Проведем операцию его обезразмеривания, для этого введем характерный размер, равный высоте (рис. 2.1) вертикального поднятия жидкости в поле тяжести rpg и временной масштаб
В безразмерных переменных уравнение (2.5) перепишется следующим образом: d2n Л _ і— . _ 2V0T du —r = 1 + zd sin fi - Vw sin p — (2.17) at r at где оставлено прежнее обозначение для безразмерных координаты z и времени t, а и = z . -39-Для численного решения уравнения (2.17) начальные условия запишутся с учетом безразмерной глубины погружения zd так: = 2(/0+z,)F0j du (2.18) dt u(t)l_0=(l0+zdy t=0 где l0 - безразмерная начальная координата мениска, отсчитываемая от уровня жидкости, V0 - безразмерная начальная скорость. Дополнительное численное исследование показало, что варьирование начальной скорости в пределах от нуля до 0,03 м/с - максимальной наблюдаемой экспериментально скорости, приводит лишь к незначительному изменению тангенса угла наклона начального участка получаемой кривой, а время заполнения капилляра и точка остановки мениска остаются неизменными.
Капилляр расположенный под углом к горизонту
Данное устройство [94] предназначено для определения реологических характеристик биологических жидкостей (вода, кровь и др.) и представляет собой компактный карманный вискозиметр для экспресс-анализа исследуемой вязкой среды. Наиболее близким по достигаемому результату к данному устройству является медицинский вискозиметр Гесса (см. п. 1.4 рис. 1.9). Недостатки этого устройства были описаны в п. 2.1.4, к ним еще можно отнести следующие: малая компактность устройства; трудоемкость и длительность измерений, что не позволительно для экспресс-анализа быстро меняющихся биологических жидкостей; невозможность получения с его помощью коэффициента поверхностного натяжения.
Техническим результатом данного устройства является упрощение конструкции вискозиметра, повышение удобства пользования и расширение области его применения в походных условиях эксплуатации. Технический результат достигается тем, что устройство содержит регулируемый зажим на выходе полого корпуса, прозрачный капилляр, закрепленный коаксиально внутри полого корпуса, образуя коаксиальный зазор таким образом, что максимальная высота поднятия эталонной жидкости в капилляре и коаксиальном зазоре одинакова. При этом полый корпус и капилляр жестко прикреплены к нижней части ванны, состоящей из внутренней и внешней герметичных емкостей для забора эталонной и исследуемой жидкостей. Исследуемую жидкость наливают во внутреннюю емкость, которая сообщается с коаксиальным зазором через отверстие полого корпуса, а эталонную жидкость наливают во внешнюю полость, сообщающуюся с капилляром. Кроме того на высоте, равной половине высоты максимального поднятия эталонной жидкости в капилляре, сделана метка для удобства измерения.
На рисунке 2.16 изображена схема устройства вискозиметра, где на фиг. 1, 2 изображены две проекции устройства, а на фиг. З в увеличенном масштабе отверстие в корпусе 1. Вискозиметр для биологических жидкостей состоит из корпуса 1, выполненного из прозрачного материала, например, стеклянной трубки и имеющего метки, внутри корпуса 1 имеется цилиндрический капилляр 2, образующий с ним коаксиальный зазор 3. В нижней части корпус 1 и капилляр 2 жестко крепятся к ванне 4, состоящей из двух герметичных емкостей: внутренней 5 и внешней 6. Корпус 1 снабжен отверстием 7, через которое исследуемая жидкость попадает из внутренней емкости 5 ванны 4 в коаксиальный зазор 3. Внешняя емкость 6 ванны 4 с помощью крепежных планок 8 жестко фиксируется с внутренней емкостью 5 и сообщается с капилляром 2 для забора эталонной жидкости. В верхней части на выходе из полого корпуса 1 установлен регулируемый зажим 9.
Вискозиметр для биологических жидкостей работает следующим образом. Для тарировки вискозиметра для биологических жидкостей в обе емкости 5 и 6 ванны 4 наливают одинаковую жидкость, например, дистиллированную воду при полном перекрытии зажима 9, затем его открывают и фиксируют максимальное поднятие эталонной жидкости в капилляре 2 и коаксиальном зазоре 3. Конструктивные особенности выполнения вискозиметра подобраны таким образом, что максимальная высота поднятия в капилляре 2 и коаксиальном зазоре 3 примерно одинакова. Так, для стеклянного капилляра 2 и дистиллированной воды в качестве эталонной жидкости, коаксиальный зазор 3 составляет 0,4 мм при внутреннем диаметре капилляра 2 равным 0,6 мм, высота максимального поднятия является одинаковой и составляет 22 мм. На высоте равной половине высоты -максимального поднятия на капилляре 2 делают метку и об относительной вязкости судят по достижению этой метки эталонной жидкостью и уровня достижения исследуемой жидкости, который регистрируется на прозрачном корпусе, имеющем метки через каждые 0,5 мм.
После проведения тарировки в емкость 5 сообщающуюся с коаксиальным зазором 3 наливают исследуемую жидкость, а в емкость 6 сообщающуюся с капилляром 2 эталонную жидкость. Жидкость с предположительно большей вязкостью, чем эталонная, всегда набирается во внешний коаксиальный зазор 3, чтобы исключить затемнения исследуемой жидкостью внутреннего капилляра 2 с эталонной жидкостью. Об относительной вязкости судят по отношению высот поднятия исследуемой и эталонной жидкостей при достижении эталонной жидкостью метки, поставленной на высоте равной половине высоты максимального поднятия за счет сил поверхностного натяжения. В этот момент зажим 9 перекрывается и движение жидкости прекращается, что позволяет-произвести точный отчет положений менисков. В дальнейшем зажим открывается, и по максимальной высоте поднятия судят об относительном коэффициенте поверхностного натяжения обоих жидкостей.
Техническая характеристика вискозиметра для биологических жидкостей Диапазон измерения относительной кинематической вязкости, мм7с 1,4...4 Диаметр капилляра для эталонной жидкости, 10" м 0,6 Коаксиальный зазор для исследуемой жидкости, 10" м 0,4 Суммарная ошибка измерения, % 9
Достигаемый в предлагаемом вискозиметре для биологических жидкостей положительный эффект заключается в следующем: упрощение конструкции и эксплуатации вискозиметра, а также снижение трудоемкости испытаний сокращает затраты времени на эксперимент, что обеспечивает возможность проведения быстрого экспресс-анализа вязкости различных биологических жидкостей; добавляется дополнительная возможность определения коэффициента поверхностного натяжения жидкостей, и расширяется область применения индивидуальными потребителями малогабаритного переносного вискозиметра для биологических жидкостей в полевых условиях. Техническая характеристика вискозиметра приведена в таблице 2.5.
Конструктивные особенности вискозиметра подобраны таким образом, что динамический диапазон устройства находится в области измерения вязкости биологических жидкостей относительно этилового спирта, положительные свойства которого уже отмечались выше. Оценим динамический диапазон установки, для этого рассчитаем суммарную ошибку измерения относительной вязкости данным устройством по формуле:
Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью цилиндрического капилляра
В этих экспериментах для воды в плоских капиллярах было получено значение краевого угла натекания равное 65 для диаметра капилляра 2 мм. В цилиндрических капиллярах для воды значение краевого угла натекания составляло 66, для спирта - 68, а для глицерина - 67 при диаметре капилляра 1,2 мм. А в экспериментах по растеканию жидкости на стеклянных подложках значения краевых углов натекания для воды, спирта и глицерина составили: 70, 63 и 57 (см. рис. 3.10 6, кривая 1; 3.11а, кривая 2 и 3.11 б, кривая 1). Таким образом, независимые эксперименты по измерению краевого угла натекания показали, что для воды и спирта краевые углы натекания, полученные для вертикальных и горизонтальных капилляров, совпадали в пределах ошибки измерения. Для глицерина отличие краевых углов натекания превышало ошибку измерения, объяснение которого приведено ниже.
Анализ величин краевых углов натекания в зависимости от объема наливаемой в короб жидкости показал, что величина краевого угла натекания монотонно возрастает вместе с ростом объема наливаемой жидкости. По всей видимости, это связано с ростом высоты слоя жидкости в коробе. Рост высоты слоя жидкости приводит к более крутому склону поверхности жидкости на ее границе. Наименьшее изменение краевого угла натекания в зависимости от объема жидкости было получено при смачивании водой полистирола, высота поднятия которого в коробе не изменялась, начиная с малых объемов (рис. 3.10 а, б, кривая 6). Для спирта краевой угол натекания также менялся несущественно, в пределах 4. Причем, наибольший рост краевого угла натекания наблюдался на глицерине в стальном прямоугольном коробе шириной 2 мм, в котором при изменении объема глицерина от. 1 см3 до 4 см3 краевой угол натекания изменялся от 75 до 104 (рис. 3.10 а, кривая 4). Подобное поведение краевого угла натекания можно объяснить разным временем релаксации для получения равновесного краевого угла. Для маловязкого спирта это время релаксации мало (меньше 1 с), для глицерина, вязкость которого на три порядка больше вязкости спирта, время релаксации велико. В наших экспериментах время, после которого длина растекания не менялась, составляло: для спирта - 1 минута, для воды 5 минут. За это время вода и спирт успевали достичь равновесного состояния, глицерин же по истечению этого времени имел неравновесный краевой угол натекания. Прямоугольный короб 2,5 3 3,5 V, «Ю-6 м3 Прямоугольный короб а) б) 1. сталь, глицерин, ширина короба d = 4,2 мм; 2. органическое стекло, глицерин, ширина короба d = 4,2 мм; Точки, обведенные кружком, соответствуют длине растекания и краевому углу натекания глицерина через трое суток: 1 - в стальном коробе, 2 - в коробе из органического стекла Рис. 3.12 - Графики зависимости: а) длины растекания, б) краевого угла натекания глицерина от наливаемого объема в горизонтальном прямоугольном коробе шириной 4,2 мм, изготовленного из органического стекла.
Для проверки предположения о различном времени релаксации была проведена серия длительных опытов по растеканию воды, спирта и глицерина в коробах в течение трех суток. Причем, для исключения влияния процесса испарения, короба с жидкостями помещались в герметичные сосуды в изотермических условиях. Эксперимент показал, что длина растекания воды и спирта в коробах не зависела от длительности опыта в пределах ошибки эксперимента (5-10 %). Длина растекания глицерина объемом 3 см3 в коробе из органического стекла шириной 2,2 мм в момент заполнения составила 0,3 м, через сутки 0,4 м, а еще через двое суток уже достигала полной длины короба 0,5 м. Поэтому дальнейшие эксперименты с растеканием глицерина в этом -коробе пришлось прекратить. Для короба из органического стекла шириной 4,2 мм длина растекания в момент заполнения составила 0,22 м, а через трое суток 0,36 м. и в дальнейшем практически не изменялась (рис. 3.12). Длина растекания 3 см3 глицерина в стальном коробе шириной 4,2 мм в момент заполнения составила 0,23 м, через сутки достигала постоянного значения 0,3 м, и в дальнейшем не изменялась.
В проведенных исследованиях использовались два.вида поверхностей твердого тела: высокоэнергетическая поверхность металла, покрытая окисной пленкой с поверхностной энергией от 0,5 до 5 Дж/м" и низкоэнергетические диэлектрики с поверхностной энергией около 0,05 Дж/м [1]. Судя по зависимости длины растекания спирта от объема налитой в короб жидкости, полное смачивание металлической подложки не наблюдалось. Запишем коэффициент растекания S, приближенно выразив поляризуемость диэлектрика через соответствующие диэлектрические проницаемости полярной жидкости диэлектрической подложки (Б2) и коэффициент поверхностного натяжения между жидкостью и газом (a): S — k(j - 1)(є2 — 1) - 2а [1]. Из этого соотношения можно заключить, что для диэлектрических проницаемостей много больше 1 коэффициент растекания пропорционален произведению соответствующих диэлектрических проницаемостей за вычетом удвоенного значения коэффициента поверхностного натяжения жидкости на границе с газом. Значимость этого коэффициента растекания связана с наличием слагаемого, отвечающего за взаимодействия с поверхностью твердого тела. По всей видимости, от этого коэффициента должна зависеть и высота капиллярного поднятия, получаемая из формулы Лапласа, в которой взаимодействие жидкости с поверхностью учитывается через краевой угол. С другой стороны, возможно, в этом коэффициенте растекания содержится более полный ответ на вопрос о физической природе гистерезиса смачивания, которая обусловлена не только наличием шероховатостей на поверхности твердого тела, граничащего с жидкостью.
