ФХОЭТ_Сидорова_М1-Л4 (Лекции ФХОЭТ)

Московский государственный технический университет им.Н.Э.БауманаФакультет: Машиностроительные технологии (МТ)Кафедра: Электронные технологии вмашиностроении (МТ11)Физико-химические основыэлектронныхтехнологийСидороваСветланаВладимировна,асс.каф.МТ11МГТУим.Н.Э. БауманаE-mail:sidorova_bmstu@mail.ru2016Модуль1«Общиеположения,понятияиопределения»Лекция42Джозайя Виллард ГиббсРодилсявнебольшомгородкеНью-ХейвенвштатеКоннекитут 11.02.1839г.,почти30летпроработалпрофессоромматематическойфизикивЙельскомуниверситететогожештата,печаталсявИзвестияхКоннекитутской академиииопубликовалвсего29работ.Основныеработынаписаныввиде3серийстатей:“Оравновесиигетерогенныхвеществ”(1876-1878),“Элементывекторногоанализа”(1881-1884)и“Основныепринципыстатистическоймеханики”(1902г).Публикацийнемного,Гиббсвообщенелюбилсобраний,публичныхвыступленийипростопублики.Говорилонмало,работалоченьмногоирегулярноимелнеболее2-3учеников.Нозатокакиеэтобылиработы!ВэтихработахГиббспредложилправилофаз,ввелпонятиехимическогопотенциала,разработалтермодинамикуповерхностныхиэлектрохимическихпроцессов,основыобщейстатистическойтермодинамики.Гиббсоднозначносчитаетсяосновоположникомтермодинамикигетерогенныхсистемистатистическоймеханики.3ПоверхностноенатяжениеПоверхностноенатяжение (σ,Дж/м2)награницедисперсныхчастицсдисперсионнойсредой– основнойтермодинамическийпараметр,характеризующийсвойстваповерхностиразделафаз(см.Лекция1).Прибордляизмеренияповерхностногонатяжения–тензиометр.Времяобразованияновойповерхности– возрастповерхности.1– газ;2– жидкость;3– твердоетелоДинамическиеметодыизмеренияповерхностногонатяжения.1.

Максимальногодавлениявпузырьке.2. Объемакапли(счетакапель).Статическиеметодыизмеренияповерхностногонатяжения1. КольцоДью Нуи.2. ПластинаВильгельми.3. Вращающаясякапля.44. Висящаякапля.ПоверхностноенатяжениеМетодмаксимальногодавлениявпузырькеМожноизмерятьповерхностноенатяжениедо100 мН/м.Диапазон«возраста»поверхности(спомощьюсовременныхтензиометровKRUSSсерияBP)от5 мсек до50сек.,гдеРmax – максимальноезначениедавлениявпузырьке,когдапузырекпринимаетформусферы, P0 - гидростатическоедавлениевкапиллярезасчетпогружения,r - радиуссферы=радиускапилляра.ТензиометрKRUSS серияBP«ТириТ»5ПоверхностноенатяжениеМетодобъемакаплиЗнаяобъёмкапливмоментотрыва(Vкапля),плотностьтяжёлойфазы(ρТ)илёгкойфазы(ρЛ),атакжедиаметркапилляра(d),можнорассчитатьдинамическоемежфазноенатяжение(g– гравитационнаясоставляющая):Диапазонвремениот1секдонесколькихчасов(зависитотвязкости).Диапазонизмеряемогомежфазногонатяженияот0,1до55мН/м.ТензиометрKRUSS серияDVT50 6«ТириТ»Поверхностноенатяжение1Статическиеметодыизмеренияповерхностногонатяжения1.2.3.4.2КольцоДью Нуи.ПластинаВильгельми.Вращающаясякапля.Висящаякапля.347ПоверхностноенатяжениеМетодкольцаДью НуигдеFmax – максимальноеусилие,приложенноедляотрывакольца,Fv – силагидростатическогостолбажидкостиподкольцом,L– длинасмачивания.Диапазонизмеренияот2до100 мН/м.ТензиометрKRUSSсерияK6«ТириТ»8ПоверхностноенатяжениеМетодпластиныВильгельмиF – измеряемаясила,L– длинасмачивания,Θ – уголсмачивания.Диапазонизмеренияот5до100 мН/м.ТензиометрKRUSS серияK100«ТириТ»9ПоверхностноенатяжениеПреимуществаметодакольцаДью Нуи:ПреимуществаметодапластиныВильгельми:• Многолитературныхданных.• Нагрузканакольцовыше,следовательно,вышеточность.• Некоторыевещества,например,катионныеПАВ,показываютнизкуюсмачиваемость пластины.• Нетребуетвведенияпоправок.• Ненадознатьплотностижидкости.• Измерениепроизводитсятолькозасчеткасания,бездавленияиперемешиванияфаз.НОДляоченьмалогомежфазногонатяженияметодыкольцаипластинынеподходят,т.к.силывзаимодействияоченьмалы,асамаповерхностьоченьнестабильна.10ПоверхностноенатяжениеМетодвращающейсякаплиОтличиеотпредыдущихметодовсостоитвтом,чтопротивсилповерхностногонатяженияиспользуютцентробежныесилы.гдеρH – плотностьтяжелойфазы, ρL –плотностьлегкойфазы, r– радиусвращениякапли,ω – частота вращения,k –постояннаяприбора,зависящаяотприближенияоптики.Диапазонизмерения10-6 …50/100мН/м.ТензиометрKRUSS SITE100,«ТириТ»11ПоверхностноенатяжениеМетодвисящейкаплиДиапазонизмерениясоставляетот0,1мН/мдонесколькихсотенмН/м.гдеΔР– разницадавлений,действующихнакончиккаплиидругиеееточки,r1,2 –основныерадиусыкривизныконтура.ТензиометрKRUSS DSA25,«ТириТ»12ПоверхностноенатяжениеПоданнымкомпании «ТириТ»13ПоверхностноенатяжениеПоданнымкомпании «ТириТ»14СвободнаяэнергияразделафазСвободнаяэнергияповерхностиэквивалентнаповерхностномунатяжениюжидкости.Свободнаяповерхностнаяэнергиятвердыхматериаловрассчитываетсянаосновекраевогоугласмачиванияповерхностиразличнымижидкостями.Краевойуголсмачиванияпозволяетописатьсмачиваемость твердыхповерхностейжидкостями.Этахарактеристикапозволяетопределитьповерхностноенатяжениетвердыхтел.15СвободнаяэнергияразделафазСмачивание– физическоевзаимодействиежидкостисповерхностьютвёрдоготелаилидругойжидкости.Видысмачивания:• Иммерсионное (всяповерхностьтвёрдоготелаконтактируетсжидкостью).• Контактное (состоитизтрёхфаз — твердая,жидкая,газообразная).Краевойуголсмачивания– этоугол,образованныйкасательнымиплоскостямикмежфазнымповерхностям,ограничивающимсмачивающуюжидкость,авершинауглалежитналинииразделатрёхфаз.••••Методыизмерениякраевогоугласмачивания:ПластинаВильгельмиЛежащаякапляПоднятиепокапилляруОтраженныйсвет16ИзмерениекраевогоугласмачиванияМетодлежащейкаплиДиаметркаплидолженбытьот2до5мм.Частный случай– метод"плененногопузырька"Разновидностиизмерениякраевогоугла:1.

Статическийкраевойугол.2. Динамическийкраевойугол:• натекающийугол• оттекающийугол17ИзмерениекраевогоугласмачиванияМетодыоценкикраевогоугласмачиванияМетодЮнга-Лапласа.Достоинства: наиболееточный,т.к.используетпоправкунавескапли.Недостатки: наиболеетрудоемкий;неможетиспользоватьсядлядинамическихкраевыхуглов,т.к.рассматриваеткаплюсимметрично.Методдлины-ширины.Достоинства: болееточендлямелкихкапельввидесферы.Недостатки: неподходитдлядинамическихкраевыхуглов,т.к.игланаходитсявкаплеинельзяопределитьвысотукаплиточно.Методкруга.Достоинства: вотличиеотпредыдущегометодаиглавкапленезначительновлияетнарезультат.Тангенциальныйметод1.Достоинства: можетиспользоватьсясдинамическимиметодамиоценкивтомслучае,есликаплянесильноразрушаетсяиглой.Тангенциальныйметод2.Достоинства:точность;подходитдляизмерениядинамическихкраевыхуглов,нотребуетчеткогопостроенияизображениявточкеконтактафаз.Недостатки: чувствительностькзагрязнениямипостороннимвеществамвжидкости.18ИзмерениекраевогоугласмачиванияМетодподнятияпокапилляру(методВашбурна)m2/t – приростмассыповремени;с – постоянная,котораязависитотрадиусакапилляровиихчисла;η – вязкостьжидкости;ρ – плотностьжидкости.МетодВашбурна – частныйслучайдинамическго методапластиныВильгельми –являетсяпочтиединственной̆возможностьюоценитьсмачиваемостьпористыхматериалов,порошкови волокон.Константаматериала,зависящаяотплотностиупаковкиволокон/крупинок,можетслегкаотличатьсяотобразцакобразцу,новпределахсохраненияобщих19свойствматериала.ИзмерениекраевогоугласмачиванияМетодотраженногосветаПрибордля измерениякраевого углавуглубленияхTVA100,«ТириТ»Стандартныйанализкраевогоугла вуглубленииилинаповерхностисосложнымрельефомневозможен,т.к.наподобныхобразцахнельзяполучитьизображениекаплисбоку,поэтомубылразработанприбордлярешенияспецифическихзадачвобластибиотехнологии,микроэлектроники,производстваплат,керамики,линзит.п.20Контрольныевопросы1.

Поверхностноенатяжениеикраевойуголсмачивания:методыизмеренияиоценки.2. ПреимуществаинедостаткиметодакольцаДью Нуи.3. ПреимуществаинедостаткиметодапластиныВильгельми.4. Измерениемалогоповерхностногонатяжения.5. Оценкасмачиваемости пористыхматериалов.6.

Оценкасмачиваемости поверхностисосложнымрельефом.21.