Поверхностного натяжения шлаков

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАВИСИМОСТИ

Цель работы: получение навыков проведения высокотемпературного эксперимента. Определение зависимости поверхностного натяжения шлаковых расплавов от температуры методом максимального давления в газовом пузырьке.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Состояние вещества у поверхности раздела соприкасающихся фаз отличается от его состояния внутри этих фаз, вследствие того, что в объеме частицы окружены большим числом соседей, чем в поверхностном слое. Результирующая сила, действующая на поверхностную частицу, как видно на рисунке, направлена вглубь жидкости. То есть частицы стремятся уйти вглубь, а величина поверхности – сокращается. Это вызывает особые поверхностные явления на границе раздела фаз, например, на границе жидкости с газом или другой жидкостью действует поверхностное натяжение, т.е. есть жидкость противится увеличению поверхности.

Рис. 1.

При образовании поверхности затрачивается работа, необходимая для разрыва связей. Работу обратимого изотермического процесса, затрачиваемую на образование единицы поверхности, называют поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение имеет следующие размерности: мДж / м²; дин / см²; эрг / см² .

Если поверхность уменьшается, то система может совершать работу. Уменьшение поверхности сопровождается понижением энергии Гиббса, и, следовательно, является самопроизвольным процессом.

-∆G = A = - σ * ∆ ω, (1)

где ∆G – изменение энергии Гиббса;

ω – площадь поверхности;

σ – поверхностное натяжение.

То обстоятельство, что поверхность жидкости сокращается самопроизвольно, указывает на существование свободной энергии поверхности. Для описания явления поверхностного натяжения применяется также термин свободная поверхностная энергия. Свободная поверхностная энергия при постоянных Р и Т может быть полностью превращена в работу, затрачиваемую на образование единицы поверхности, т. е. представляет собой удельный изобарный потенциал поверхности.

Поверхностное натяжение численно равно работе разрыва связей, недостающих у частиц поверхностного слоя, по сравнению с объемом. Причем, величина σ тем больше, чем выше энергия связей. Измерение поверхностного натяжения и его концентрационной зависимости дает информацию о строении поверхностного слоя и соотношении сил межчастичного взаимодействия.

Силы взаимодействия между различными частицами в растворах неодинаковы. Частицы (атомы, молекулы, ионы), образующие слабые связи, вытесняются в поверхностный слой, т. к. этот процесс приводит к уменьшению энергии Гиббса G и, следовательно, поверхностного натяжения. Например, добавка в жидкое железо нескольких сотых процента кислорода или серы приводит к уменьшению натяжения от 1760 мДж / м² до 1000 мДж / м². При этом поверхностные концентрации добавок в сотни раз превышают объемные. Вещества, концентрирующиеся в поверхностном слое и понижающие натяжение, называются поверхностно- активными. Добавки, повышающие натяжение, называются инактивными (их концентрация в поверхностном слое меньше чем в объеме).

При повышении температуры поверхностное натяжение чистых жидкостей уменьшается, т. к. ослабляются силы взаимного притяжения молекул внутри вещества и в поверхностном слое. Это уменьшение для многих веществ идет по линейной зависимости., т. е. температурный коэффициент d G / d T имеет постоянное отрицательное значение почти до критической температуры, при которой σ = 0. Выше этой температуры вещество не может находиться в жидком состоянии. Эту температуру называют температурой абсолютного кипения.

Методы для определения поверхностного натяжения можно подразделить на статические и динамические.

Статические:

1. Капиллярного поднятия.

2. Максимального давления в газовом пузырьке.

3. Метод счета капель.

4. Метод неподвижной капли.

5. Метод отрыва кольца от поверхности жидкости и т. д.

Динамические:

1. Определение длины капиллярных волн.

2. Наблюдение колебаний струй, вытекающих из отверстия некруглого сечения.

3. Метод висячих капель.

Удобным и достаточно надежным является метод максимального давления в газовом пузырьке. Его достоинством является хорошая теоретическая разработка, возможность исследования различных расплавов при высоких температурах, высокая точность.

Недостатки метода: 1.) необходимость подбора нейтральных по отношению к расплаву капилляров; 2.) разрушение капилляра не позволяет выбрать правильный расчетный радиус и понижает точность измерения.

Сущность метода максимального давления в газовом пузырьке заключается в следующем:

при выдувании пузырька газа из капилляра в жидкость – радиус кривизны поверхности пузырька сначала убывает, а затем, достигнув минимума, начинает возрастать. Минимальное значение радиуса кривизны соответствует пузырьку, имеющему форму полусферы; в этом случае радиус кривизны пузырьков равен радиусу капилляра.

Поскольку при образовании пузырька работа расширения газа совершается против сил поверхностного натяжения, т. е.

ΔA = P dV = σ dω, (2)

V = (4 / 3) π r ³ , ω = 4 π r ², (3)

дифференцируя V и ω, легко получить

4 π r ² P = 8 π r σ, (4)

Отсюда следует, что

P = 2 σ / r, (5)

или

P_max = 2 σ / r_кап, (5)

Тогда для поверхностного натяжения можно получить

σ = (P_max * r_кап ) / 2, (6)

Капилляр, изготовленный из химически инертного материала, погружается в расплав, измеряется максимальное давление, необходимое для образования пузыря на конце капилляра.

Если радиус капилляра мал, то образующийся пузырь имеет форму, близкую к правильной полусфере.

Рис. 2. Капилляр в расплаве

Общее суммарное давление, при котором образуется пузырек газа, складывается из двух составляющих, одна из которых определяется гидростатическим давлением, другая – силами поверхностного натяжения:

P_max = P₁ + P₂ = g h (ρ₁ – ρ₂ ) + (2 σ / r), (7)

где h – глубина погружения конца трубки под плоской поверхностью жидкости;

g – ускорение свободного падения;

ρ₁ – плотность исследуемой жидкости;

ρ₂ – плотность вдуваемого газа;

σ – поверхностное натяжение;

r – радиус капилляра.

Экспериментально измерив максимальное давление газа в трубке, можно определить поверхностное натяжение исследуемой жидкости. Рассмотренный метод применим для достаточно узких трубок.

Поверхностное натяжение является одной из важных количественных характеристик, привлекаемых для суждения о состоянии металлических расплавов. Величина поверхностного натяжения оказывает влияние на ход реакций у межфазных границ: металл – шлак, металл – подина печи.

Порядок проведения работы:.

Исследуемый шлак помещают в тигель и расплавляют. Воздух из установки вытесняют, пропуская через неё инертный рабочий газ. Применяемый газ предварительно проходит очистку, для этого служит склянка с концентрированной серной кислотой.

Приоткрывая регулировочный кран, обеспечивают медленное поступление газа.. Капилляр подводят к поверхности расплава и по наклонному манометру фиксируют момент касания капилляром поверхности (h = 0). В этот момент наблюдается скачкообразное движение мениска жидкости манометра.

Медленное погружение капилляра в расплав на определенную глубину обеспечивается специальным механизмом. Регулируя краном подачу газа, добиваются медленного образования и отрыва пузырька с конца капилляра (примерно 5 пузырьков в минуту). При этом измеряют при помощи наклонного манометра максимальное давление, соответствующее моменту отрыва газового пузырька от конца капилляра. Давление измеряют при 3-5 глубинных погружениях капилляра (1, 2, 3 мм и т.д.). На каждой глубине фиксируют по 5 значений давления.

Измерения проводят при 3-х температурах: 850°С, 800°С, 750°С. Затем но усредненным величинам строят зависимость давления в капилляре от глубины погружения «P - h» и графически определяют значение Р при h = 0. Используя это значение Р, по формуле (6) рассчитывают поверхностное натяжение.

Данные, полученные в ходе работы, заносят в таблицу.

№ п/п	Т, °С	Глубина погружения, мм.	Показания наклонного манометра, мм. рт. ст.	Р, Па	Поверхностное натяжение, Дж/м^2
1.
2.
3.
4.

СХЕМА УСТАНОВКИ

1. Печь

2. Термопара

3. Склянка с концентрированной H₂SO₄

4. Наклонный манометр

5. Микровинт

6. Капилляр

7. Баллон с инертным газом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое поверхностное натяжение? Его размерность.

2. Какая связь между энтальпией и поверхностным натяжением?

Дата добавления: 2014-12-16