Determinarea Tensiunii Superficiale

Generalităţi:

Între moleculele unui fluid, în intervalul dintre două ciocniri, se exercită forţe de atracţie. Aceste forţe se echilibreză reciproc pentru fiecare moleculă care se află în interiorul lichidului la o distanţă de suprafaţa liberă mai mare decât raza de acţiune a acestor forţe (egală aproximativ cu câteva distanţe intermoleculare, adică 10-9 m). Pentru moleculele de la suprafaţa fluidului (mai precis dintr-un strat superficial de grosime 10-9 m), forţele de atracţie nu se mai echilibreză reciproc şi ca urmare va apărea tendinţa micşorării suprafeţei acestuia. Din acest punct de vedere, suprafaţa lichidului se aseamănă cu o membrană elastică întinsă. O astfel de membrană elastică întinsă pe un cadru metalic ABCD (figura alătuată) ce are o latură mobilă AB, rămâne în echilibru dacă se aplică o forţă F tangenţială la suprafaţa ABCD şi perpendiculară pe latura AB. Dacă se noteză cu  forţa aplicată normal pe unitatea de lungime a lui AB, atunci:

(1)

unde l este lungimea lui AB.

În cazul membranelor de lichid, raportul dintre forţa superficială F şi lungimea l asupra căreia acţionează se numeşte tensiune superficială şi se măsoră în sistemul SI în .

Pentru măsurarea tensiunii superficiale a lichidelor, care este o mărime fizică de mare importanţă pentru ştiinţă şi tehnică, s-au imaginat o serie de întreagă de metode. Alegerea uneia sau alteia dintre metode depinde de natura lichidului, temperatura şi presiunea la care se efectuează măsurătorile, de precizia necesară a măsurătorilor ca şi de alţi factori, ca: simplitatea metodei, sensibilitatea aparaturii şi durata determinării. Măsurătorile de tensiune superficială se împart în două categorii distincte: măsurători dinamice unde straturile superficiale asupra cărora se fac determinările se reîmprospătează continuu şi măsurători statice în care se determină tensiunea superficială a unui lichid în stare de echilibru. Pe lângă acestea există un număr suficient de mare de metode care nu sunt nici pur statice nici prur dinamice. În aceste metode, la fiecare măsurătoare are loc o nouă reîmprospătare a suprafeţei urmată de stingerea unei stări de echilibru aproximativ. Din acestă cauză, metodele de acest tip se înglobează într-o categorie aparte: metode cvasistatice.

Măsurătorile din prima categorie se realizează cu ajutorul unor metode, ca: metoda undelor capilare, a picăturilor pulsatorii, a jeturilor oscilante şi altele. Măsurătorile statice de tensiune superficială şi cele cvasistatice se realizează prin cinci categorii de metode. Acestea sunt:

1. Metode bazate pe măsurarea înălţimi de ascensiune în tuburi capilare. Acestea se numără printre metodele riguros statice şi cele mai precise de măsură, cu condiţia ca lichidul să umecteze perfect pereţii capilarului. Ele sunt indicate numai pentru măsurători asupra unor lichide cu vâscozitate mică.

2. Metode bazate pe măsurarea dimensiunilor unei picături aşezate pe o suprafaţă sau atârnate. Avantajele acestui grup de metode constau în afptul că măsurătorile nu depind de unghiul limită al lichidului în raport cu suportul, ca şi faptul că se adeaptează uşor pentru măsurători ale tensiunii superficiale la diverse presiuni ale gazelor în contact cu lichidul, pentru lichidele volatile etc. acestea sunt, de asemenea, metode riguros statice.

3. Metode bazate pe măsurarea presiunii necesare pentru formarea sau ruperea unei bule de gaz în lichidul de studiat sau a unei picături dintr-un lichid în alt lichid. Acestea se numeră printre metodele relative de măsură ale tensiunii superficiale şi cvasistatice. Ele au avantajul că sunt simple şi precise. În plus măsurătorile ne depind de condiţiile de umectare ale capilarului de către lichidul studiat.

4. Metode bazate pe compararea forţelor superficiale cu forţele gravitaţionale (cântărirea picăturilor). Acestea se bazează pe determinarea greutăţii unei picături căreia se dă drumul dintr-un capilar vertical. Ele sunt metode relative şi cvasistatice. Aceste metode nu depind de unghiul limită al lichidului în raport cu materialul capilarului şi pot fi folosite şi pentru lichide vâscoase, ducând la rezultate precise.

5. Metode bazate pe determinarea forţei necesare smulgerii de pe suprafaţa lichidului a unui corp de formă geometrică cunoscută (inel, cilindru, palcă, etc). aceste metode fac parte din categoria celor cvasistatice, absolute şi pot atinge cu o prececizie foarte mare având în vedere că au la bază o măsurătoare de forţă, cu condiţia însă ca lichidul să aibă o vâscozitate mică şi să umecteze perfect corpul geometric.

În lucrarea de faţă se va descrie una dintre metodele bazate pe măsurarea presiunii necesare ruperii unei bule de aer ce se formează la extremitatea unui capilar în lichidul a cărui tensiune superficială se studiază.

Teoria metodei:

Pentru determinarea tensiunii superficiale prin metoda presiunii maxime în bulă se aşează extremitatea unui tub capilar pe suprafţa lichidului de studiat (figura alăturată).