АНАЛИЗ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Е.И. Дискаева, Е.И. Камениченко, О.В. Вечер

ГБОУ ВПО Ставропольская государственная медицинская академия

e-mail: e_diskaeva@mail.ru

Строение и свойства жидкого состояния вещества изучаются в течение долгого периода времени. Однако накопленные знания в этой области еще далеки от той принципиальной завершенности, которой они достигли при изучении газообразной и твердой фазы вещества.

Проектирование технологических объектов невозможно без знания теплофизических свойств, таких как плотность жидкой и паровой фаз, коэффициент поверхностного натяжения, теплопроводность и другие. Наши исследования посвящены одному из таких параметров жидкой фазы – коэффициенту поверхностного натяжения.

Экспериментальные исследования различных авторов, посвященные исследованию коэффициента поверхностного натяжения, выявили ряд особенностей в зависимости от параметров вещества. Так, например, было показано, что коэффициент поверхностного натяжения очень чувствителен к изменению температуры жидкости и наличию примесей в структуре жидкости, вдоль линии равновесия жидкость-пар коэффициент поверхностного натяжения монотонно уменьшается с увеличением температуры, обращаясь в ноль в критической точке [1,2]. Измерение и расчет коэффициента поверхностного натяжения в предкритической и критической областях связаны с техническими сложностями, в связи, с чем, становится актуальной разработка теоретических и экспериментальных методов определения этого параметра.

Наиболее известным и теоретически обоснованным соотношением для расчета коэффициента поверхностного натяжения является уравнение Ван-дер-Ваальса, полученное на основе принципа соответственных состояний [1]:

, (1)

где – универсальные постоянные, и – критические температура и давление. А.И. Бачинский для вычисления коэффициента поверхностного натяжения предложил следующее выражение [3]:

, (2)

где – постоянная, зависящая от природы жидкости, и – плотности жидкости и пара соответственно.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения как функции температуры часто используется уравнение Этвеши [4, 5]. Согласно этому уравнению коэффициент поверхностного натяжения различных жидкостей убывает с возрастанием температуры по закону:

, (3)

где – мольный объем жидкости, – постоянная Этвеши.

Из уравнения (3) следует, что постоянная будет определяться выражением:

(4)

где - плотность жидкости, - молярная масса.

Температурный коэффициент можно представить в следующем виде:

(5)

Для определения температурного коэффициента поверхностного натяжения простых жидкостей используется формула Я.И. Френкеля и Л.И. Губанова:

, (6)

где - термический коэффициент расширения конденсированной фазы, - упругие константы, С_Р и С_V – теплоемкости при постоянном давлении и объеме, L – теплота испарения.

Исследуя последний член уравнения (6), приходим к выводу, что он слабо зависит от упругих свойств жидкой среды и для простых веществ он равен 0,84. Проверяя уравнение (6) для различных веществ, можно прийти к выводу, что если последний член правой части уравнения (6) не считать универсальной константой, то уравнение (6) представляется в следующем виде:

(7)

где А – не зависит от температуры.

Используя уравнение (7) можно определять значение не только для простых веществ, но и для сложных. Как показывает анализ, в достаточно широком температурном интервале можно считать величиной постоянной, тогда приходим к интегралу:

(8)

из которого следует, что

(9)

Таким образом, уравнение Этвеши и уравнение Френкеля-Губанова сводятся к определению величины поверхностного натяжения по формуле (9). В интервале температур указанное выражение для воды можно представить в виде [6]:

(10)

Сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными [7] показывает хорошее совпадение для всего температурного диапазона существования жидкой фазы.

Таблица 1.

Зависимость коэффициента поверхностного натяжения вод от температуры

№ п/п	,	, Н/м [7]	, Н/м
1	0	0,076	0,076
2	100	0,059	0,055
3	200	0,038	0,035
4	300	0,014	0,015
5	370	0,001	0,001

Список литературы

1. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.: Химия, 1966. 628 с.

2. Г.А. Мельников, В.Н. Вервейко, В.Г. Мельников, Ю.А. Вирисокин, Д.В. Вервейко Коэффициент поверхностного натяжения простых жидкостей в кластерной модели. Ученые записки: электронный научный журнал Курского государственного университета. №1 (21), 2012.

3. Бачинский А.И. О формулах поверхностного натяжения // Известия физического института. Под редакцией П.П. Лазарева. М.: Государственное издательство. – 1922. – Т.2. – С.60-79.

4. Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители жидкостей. М.: Изд-во МГУ, 1970, 240 с.

5. Фролов А.В. Химия. М.: Высшая школа, 1979. – 559 с.

6. Марков И.И., Хрынина Е.И., Камениченко Е.И., Иванов М.Н. О характере температурной зависимости поверхностного натяжения жидкой фазы // ЖФХ, 2008. Том №2. №6, С.1-5.

7. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980. 288 с.