Измерение поверхностного натяжения методом пластинки Вильгельми

Тонкую пластину подводят вертикально к поверхности жидкости, смачиваемой материал пластины (стекло, Al, сталь, Pt). После контакта с жидкостью по обеим сторонам пластины образуются вогнутые мениски высотой h. В результате, нижняя часть пластины оказывается погруженной в жидкость и её вес уменьшается в соответствии с законом Архимеда на величину ΔG=2V_mgρ_ж. Для осуществления равновесия на пластину в противоположном направлении должна действовать сила f=ΔG, эту силу f измеряют достаточно чувствительным динамометром или весами.

Для установления связи между измеренной силой f и поверхностного натяжения σ нужно рассчитать объём капиллярного мениска V_m. Высота капиллярного подъёма H определяется капиллярным давлением в вогнутом мениске. Из закона Лапласа следует, что в данном случае: H=a(1-sinθ)^1/2. Объём мениска равен: V_m≈1/2H²l (l – ширина пластины); соответственно изменение веса пластины после образования двух менисков составляет: ΔG=H²lgρ_ж=2σ/cosθ. При полном смачивании cosθ=1 и σ=f/(2l)

Самая высокая точность определения σ таким методом достигается в случае, если краевой угол будет рассчитан достаточно высоко и независимо.

Измерение поверхностного натяжения методом вращающейся капли

Этот метод используют для измерения очень малых поверхностных натяжений на границе 2 несмешивающихся жидкостей А и В. Рассмотрим случай, когда капля более лёгкой жидкости А помещена в трубку, заполненной жидкостью В. При вращении трубки вокруг её оси центробежные силы перемещают каплю к оси и «расплющивают» её – превращают в эллипсоид. Равновесная форма такой капли зависит от угловой скорости вращенияω, которая связана с поверхностным натяжением σ₁₂ на границе 2 несмешивающихся жидкостей 1 и 2: σ₁₂=Δρω⁴r³/4, где Δρ=ρ_В-ρ_А; r – радиус трубки.

Метод вращающейся капли позволяет измерять поверхностное натяжение до 10^-3 мДж/м².

Измерение поверхностной энергии твёрдых тел

Экспериментальное определение поверхностной энергии твёрдых тел связано с большими трудностями. Главное затруднение заключается в том, что обработка твёрдой поверхности представляет, как правило, необратимый процесс из-за неизбежной пластической деформации поверхностного слоя. В основном используются 2 метода:

Метод нулевой ползучести. Измерение проводят вблизи Т_пл данного материала, когда он обладает высокой пластичностью и легко удлиняется под действием небольших нагрузок. Вертикально подвешенные образцы из металлической фольги не растягиваются при условии f=σ_тгl (f – экспериментально определённая сила, при которой отсутствует ползучесть; l – ширина образца)

Метод хрупкого разрушения. При достаточно низких температурах (в жидком азоте) пластическая деформация, предшествующая разрушению, очень мала. Поэтому по измерениям разрушающей силы можно рассчитать поверхностную энергию σ_тг данного материала.

Для низкоэнергетических твёрдых тел поверхностная энергия σ_тг и σ_тж можно определить, измеряя краевые углы θ разных жидкостей в контакте с данным материалом. Преимущество данного метода заключается в том, что он не требует механической деформации и разрушения образца, тем самым исключает погрешности, вызванные пластической деформацией и необратимостью обработки поверхности.