Метод максимального тиску в бульбашці

У фізиці метод максимального бульбашкового тиску або метод короткого тиску в бульбашці - це метод вимірювання поверхневого натягу рідини з поверхнево-активними речовинами. Дуже простим і зручним методом вимірювання поверхневого натягу називають метод максимального тиску в бульбашці. У цьому способі капіляр занурюється в рідину, що підлягає вимірюванню, а газовий міхур створюється всередині рідини за допомогою газу з регульованим тиском (див. Рис. 22.4). Зі збільшенням тиску розмір міхура збільшується до тих пір, поки його діаметр не буде ідентичним діаметру капіляра (півсферичного міхура).

Рис. 22.4. Метод максимального міхурного тиску для вимірювання поверхневого натягу. Газовий міхур розширюється у рідині, застосовуючи газ під контрольованим тиском. Якщо радіус міхура відповідає радіусу капіляра, тиск становить максимум. Подальше розширення міхура знизить тиск і призведе до відшарування міхура.

Liquid - Рідина

Gas bubble - Газ бульбашки

Cappilary - Капіляр

Походження

Коли рідина утворює межу з газовою фазою, молекула на кордоні має зовсім інші фізичні властивості через дисбаланс притягання сил сусідніх молекул. У рівноважному стані рідини внутрішні молекули знаходяться під рівноважними силами з рівномірно розподіленими сусідніми молекулами.

Однак порівняно менша кількість молекул в газовій фазі над поверхнею, ніж конденсована рідка фаза, складає загальну кількість сил, прикладених до молекули поверхні безпосередньо всередині рідини, і, таким чином, молекули поверхні мають тенденцію до мінімізації власної площі поверхні.

Така нерівність молекулярних сил викликає безперервний рух молекул зсередини на поверхню, що означає, що молекули поверхні мають додаткову енергію, яку називають поверхневою вільною енергією або потенційною енергією, і така енергія, що діє на зменшену одиницю площі, визначається як поверхня напруга.

Це кадрова робота з інтерпретації відповідних явищ, що виникають на поверхні чи інтерфейсі матеріалів, і було розроблено багато методів вимірювання поверхневого натягу.

Серед різних способів визначення поверхневого натягу кільцевий метод Дю Ноя та слайд Вільгельмі заснований на відокремленні твердого предмета від поверхні рідини, а метод підвішування крапель та метод сессильной краплі або міхура залежать від деформації сферичної форми крапля рідини.

Незважаючи на те, що ці методи відносно прості та зазвичай використовуються для визначення статичного поверхневого натягу, у випадку, якщо домішки додаються до рідини, слід застосовувати вимірювання поверхневого натягу на основі динамічної рівноваги, оскільки для отримання повністю сформованого часу потрібно більше часу поверхні, а це означає, що важко досягти статичної рівноваги, як це чиста рідина.

Найбільш типовою домішкою для інтенсивного вимірювання поверхневого натягу є молекула поверхнево-активної речовини, яка має як гідрофільний сегмент, який зазвичай називають «головною групою», так і гідрофобний сегмент, зазвичай називають «хвостовою групою» в одній молекулі. Завдяки характерній молекулярній структурі поверхнево-активні речовини мігрують до рідкої поверхні, що межує з газовою фазою, поки зовнішня сила не розпорошить накопичені молекули від поверхні або поверхні повністю не зайняті і, таким чином, не можуть вмістити зайві молекули. Під час цього процесу поверхневий натяг зменшується як функція часу і, нарешті, наближається до рівноважного поверхневого натягу (σ-рівноваги). Такий процес проілюстрований на малюнку 1.

Рисунок 1 - Міграція молекул ПАР та зміна поверхневого натягу (σt1> σt2> σ-рівновага)

Stirring - Помішування

Метод максимального тиску в бульбашці

Одним з корисних методів визначення динамічного поверхневого натягу є вимірювання «методу максимального міхурного тиску» або, просто кажучи, методу міхурного тиску.

Тензіометр міхурного тиску виробляє газові бульбашки (колишнє повітря) з постійною швидкістю і продуває їх через капіляр, занурений у рідину зразка, і його радіус вже відомий.

Тиск (Р) всередині газового міхура продовжує зростати і максимальне значення отримується тоді, коли міхур має повністю півсферичну форму, радіус якої точно відповідає радіусу капіляра.

На малюнку 2 показаний кожен етап формування бульбашки і відповідна зміна радіусу міхура, і кожен етап описаний нижче.

Малюнок 2 - Зміна тиску під час утворення міхура побудовано як функція часу.

Pressure - Тиск

Time - Час

A, B: Міхур з’являється на кінці капіляра. Зі збільшенням розміру радіус викривлення міхура зменшується.

C: У точці максимального міхурного тиску міхур має повну півсферичну форму, радіус якої ідентичний радіусу капіляра, позначеному Rcap. Поверхневий натяг можна визначити, використовуючи рівняння Янга-Лапласа у зменшеному вигляді для сферичної форми міхура всередині рідини.

(σ: поверхневий натяг, ΔPmax: максимальний перепад тиску, Rcap: радіус капіляра)

D, E: Після максимального тиску тиск міхура зменшується, а радіус міхура збільшується, поки міхур не відривається від кінця капіляра і не починається новий цикл. Це не має значення для визначення поверхневого натягу.

В даний час розроблені та комерціалізовані тенізометри контролюють тиск, необхідний для утворення міхура, різницю тиску між міхуром і зовні, радіус міхура та поверхневий натяг зразка обчислюються за один раз, і збір даних здійснюється через Управління ПК.

Метод бульбашкового тиску зазвичай використовується для вимірювання динамічного поверхневого натягу для системи, що містить поверхнево-активні речовини або інші домішки, оскільки він не вимагає вимірювання контактного кута і має високу точність, хоча вимірювання проводиться швидко. Для вимірювання динамічного поверхневого натягу, зокрема, для систем, що містять поверхнево-активні речовини, може застосовуватися метод «пухирчастий тиск» Більше того, цей метод є відповідною методикою для застосування до біологічних рідин, таких як сироватка, оскільки для вимірювань не потрібна велика кількість рідкого зразка. Насправді цей метод використовується для опосередкованого визначення вмісту ПАР у ванночках для промислового очищення або покриття. оскільки динамічне поверхневе натяг у певному діапазоні швидкостей утворення бульбашок показує сильну кореляцію з концентрацією.

Застосування

Метод максимального тиску бульбашок часто використовується для вимірювання динамічного поверхневого натягу, оскільки він дозволяє виміряти розвиток поверхневого натягу на новоствореному інтерфейсі. Наприклад, у розчині ПАР молекули (з часом) збиратимуться на межі розділу газ / рідина та змінюватимуть поверхневий натяг. Змінюється поверхневий натяг можна легко виміряти при зміні розміру міхура з часом, якщо тиск підтримується постійним.

Джерела

• https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_bubble_pressure_method
• https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/bubble-pressure-method
• Adamson, Arthur W.; Alice P. Gast (1997). Physical Chemistry of Surfaces (6th ed.). Wiley Interscience.
• Bubble Pressure Method at https://www.kruss-scientific.com/
• Dynamic Methods at https://www.lauda.de/de/
• Hubbard, Arthur T. (2002). Encyclopedia of Surface and Colloid Science (Vol. 1). CRC press, pp. 814–815