Kezdőlap


Cím:	Határfelületek vizsgálatának nyomában
Szerző(k):	Keglevich László
Füzet:	1959/november, 150 - 152. oldal	PDF \| MathML
Témakör(ök):	Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Újabb időkben egyre többet hallani különböző közegek határfelületén fellépő jelenségekről. Ezek szerepe a technikai életben is napról-napra nő. Gondoljunk csak az üvegvágó gyémánt szerepére, melynek karcolására az üvegfelület a kijelölt helyen megsérül és így a vastagabb üvegréteg is könnyűszerrel szétválasztható, vagy a fényelemek vékony szelén-réz rétegére, ahol a határfelület különleges tulajdonságai adják meg a lehetőséget a fotoelektromos effektusra. Ezek a szilárd testek határfelületével kapcsolatosak. Ugyanilyen fontosak a cseppfolyós-gáz halmazállapotú határfelületeken lejátszódó ún. kapilláris jelenségek. Aki valaha apróbb dolgokat forrasztott, tudja, hogy mennyire fontos ismerni a kapillaritás törvényeit, ahhoz, hogy a forrasztás jól sikerüljön. Természetesen hasonlóan érdekesek a cseppfolyós‐cseppfolyós, ill. egyéb halmazállapotú határfelületek sajátságai is.
A cseppfolyós-gáz közegek határfelületével kapcsolatban jól ismert a felületi feszültség $(σ)$ fogalma, mint a folyadékhártya felületében, ill. határvonalán egységnyi távolságra jutó, a távolságra merőlegesen működő összehúzó erő. Ha az ilyen határfelületekkel kapcsolatos jelenségeket ismerni akarjuk, kellő pontossággal mérnünk kell, hogy az egyes folyadékoknál mekkora a felületi feszültség értéke, továbbá meg kell vizsgálnunk, hogy mitől és hogyan függ. A modern technika komoly követelménye ez az anyagok helyes alkalmazásánál, hajszálcső rendszereknél, ragasztásnál, forrasztásnál stb. Sokszor bizony nem könnyű a mérést elvégezni pl. izzó fémolvadékoknál, maró anyagoknál stb.

Hogyan mérhetjük a felületi feszültséget?

A felületi feszültség mérésére több út is kínálkozik. Meghatározható egyszerűen a kapilláris emelkedésből. Ehhez olyan

U

alakú csőre van szükség, melynek az egyik szára állandó sugarú kapilláris. (1. ábra).

1. ábra

Itt a vastag és szűk szárban levő meniszkusz-különbség mérésével a kapilláris átmérő és a folyadék sűrűség ismeretében elég pontos felületi feszültség értékeket kapunk. A szűk szárban levő folyadékoszlop többlet vagy hiány súlya ugyanis a határfelületre működő erő értékével egyensúly esetén megegyezik, azaz

\begin{matrix} 2 r π σ = r^{2} π h g s \end{matrix}

vagy átalakítva

\begin{matrix} σ = \frac{r h g s}{2}, \end{matrix}

ahol

r

a kapilláris sugara,

h

a meniszkusz különbség (hajszálcsöves emelkedés),

s

a mérendő folyadék sűrűsége,

g

a gravitációs gyorsulás. A kapilláris sugarának

r

értékét egy ismert felületi feszültségű folyadék kapilláris emelkedéséből határozhatjuk meg. Pl. desztillált vízzel,

σ_{H_{2} O} = 72, 97 \frac{din}{cm} 18 C^{\circ}

-nál, levegőre vonatkoztatva.)
Igen gyakran használják a felületi feszültség mérésére a ,,sztalagmométert'' is. (2. ábra.)

2. ábra

Ez nem más, mint egy jól definiált

(r)

sugarú tárcsaszerűen kiképzett szűk nyílású üvegcső, melyből a mérendő folyadék a mérés során lassan kicsepeg és a cseppek számából következtethetünk a felületi feszültség értékére. A mérés itt azon alapszik, hogy a folyadék a szűkületen lassan kiszivárogva a felületi feszültségtől és a sűrűségtől függő nagyságú cseppeket alkot. A lassan növekvő csepp, melynek számottevő impulzusa már nincsen, a tárcsaszerűen kiképzett nyílásról akkor fog leszakadni, mikor súlya éppen túllépi a határfelületre működő, felületi feszültségtől függő erőt. Mivel egy csepp súlya a folyadék

s

sűrűségéből, a mérésnél használt folyadék

V

térfogatából és a cseppek

n

számából meghatározható, az erők egyensúlyát a következőképpen írhatjuk fel:

\begin{matrix} 2 r π σ = \frac{V s}{n} . \end{matrix}

Ha egy más folyadékra, pl. desztillált vízre vonatkoztatott felületi feszültség értéket keresünk, akkor még egy ilyen egyenletet írhatunk fel és a két egyenlet hányadosából, a két

V

térfogat egyezése esetén az alábbi összefüggést nyerjük:

\begin{matrix} σ = σ_{i} \frac{n_{i}}{n} \cdot \frac{s}{s_{i}} . \end{matrix}

Láthatjuk, hogy a ,,sztalagmométeres'' vagy egyszerűbben mondva ,,csepegtetős'' módszernél különböző folyadékok azonos térfogatai a felületi feszültségtől és sűrűségtől függően különböző számú cseppet eredményeznek. Ez lehetőséget ad arra, hogy azonos térfogatú folyadékok kicsepegtetésével a cseppek számából a sűrűségeik ismeretében a viszonylagos felületi feszültség értékét meghatározzuk.
Ismét más lehetőség a buboréknyomás módszere, melynél egy lég-buborékot nyomunk lassan a kapillárison keresztül az ismeretlen folyadékba. Itt a gömb felületén működő felületi feszültségből származó eredő erő tart egyensúlyt a benyomott levegő nyomásával.

3. ábra

Ha a 3. ábrán látható folyadék-manométerrel mérjük a benyomott levegő nyomását, a buborék leszakadásának pillanatában a következő egyszerű összefüggés áll fenn:

\begin{matrix} \frac{2 σ}{r} = s_{1} h_{1} g - s h g, \end{matrix}

ahol

r

a kapilláris sugara,

s

a mérendő,

s_{1}

a mérő folyadék sürűsége,

h

a kapilláris bemerülési mélysége az ismeretlen folyadékba,

h_{1}

a manométer szintkülőnbsége,

g

pedig a nehézségi gyorsulás. Itt is, mint az előbbi módszernél az

r

sugarak meghatározása általában ismert felületi feszültségü folyadék felhasználásával történik.
Az egyéb felületi feszültség mérő módszerek közül megemlítjük Eötvös Loránd módszerét. Ez a folyadék felületi feszültség hatására fellépő falmenti görbületéből határozza meg a felületi feszültség értékét. A görbült felületen visszaverődő fénysugár segítségével igen pontos szögmérések végezhetők. Így az anyagi állandókon kívül elegendő adatot kapunk ahhoz, hogy a felületi feszültség értékét nagy pontossággal meghatározzuk. E módszernek előnye a pontosságon túlmenően az, hogy abszolút tisztán végezhető el, hiszen a mérendő folyadék a mérés tartamára a külvilágtól teljesen elzárható, mivel csak optikai megfigyelésre van szükség.
Nagyon lényeges felhívni a figyelmet arra, hogy a felületi feszültség érték megadásának mindig egy másik szomszédos közegre vonatkozólag van értelme, mivel igen erősen függ nemcsak az egyik közeg, hanem a szomszédos közeg anyagi minőségétől is. Ebből következik, hogy bármilyen kis mértékben is van jelen a felületen más anyag, azaz szennyeződés, a felületi feszültség értéke erősen megváltozhat. Ezért a felületi feszültség méréseknél csak nagyon tiszta anyagokkal és eszközökkel kapunk helyes eredményt. Az üvegeszközök legkisebb zsír szennyeződéseinek eltávolítására meleg króm-kénsavas mosást alkalmaznak. Egy folyadék mérése előtt az illető folyadék egy részével többször át kell öblíteni a mérőeszközt még gondos mosás után is. A méréseket érdemes megismételni, hogy az eredmény helyességéről meggyőződjünk.