Дәріс: Балқымалардың беттік керілісін өлшеу әдістері. (2 сағат).

Сұ йық металдық жә не металдық емес балқ ымалардағ ы беттік қ ұ былыстар, балқ ыма – қ атты фаза бө ліну шекараларында жә не жоғ ары дисперсті қ атты денелерде кө птеген технологиялық процестер ү шін ү лкен маң ызғ а ие, оларғ а қ ара жә не тү сті металлургия, ұ нтақ ты металлургия, жартылай ө ткізгішті техника, пісіру техно­логиясы, дә некерлеулер, майлау жә не басқ а салалар жатады. Беттік қ ұ былыстарды зерттеу нә тижелері ыстық қ а тө зімділіктң, сырғ ымалық тың, кү йежентектелудің, қ анығ удың, модификацияланудың жә не т.б. теориялық мә селелерін шешуде кең інен қ олданылады. Беттік қ ұ былыстарғ а толығ ымен негізделген процестерге жататындар: 1) хроматографиялық; 2) металдар иондарының ионалмастырғ ыш шайырларда бө лінуі; 3) булар мен газдар бө лінуі кезіндегі адсорбция.

Сұ йық таза металдардың беттік керілісі σ балқ ыту нү ктесінің ү стінде аз ғ ана қ ыздырылу кезінде олардың электрондық қ ұ рылымының ерекшеліктеріне сә йкес ө згереді. Д.И.Менделеев жү йесінің II жә не III периодының металдары ү шін, σ периодтың ортасына дейін атомдық нө мірінің ө суімен артады, ал В жә не Si бастап тө мендейді. IV жә не VI период элементтері ү шін σ 6 топқ а дейін артады, ал 7 жә не 8 топ эле­менттері ү шін тө мендейді. Сұ йық натрийдің σ мә ні 140°С кезінде 196 мДж/м² қ ұ райды, мыс ү шін 1100 °С кезінде—1320—1350, алюминий ү шін 700 °С кезінде — 825—860, хром ү шін 1800 °С кезінде —1520, темір ү шін 1550 °С кезінде — 1830 м Дж/м².

Беттік керілісті ө лшеу ә дістері екі топқ а бө ліне алады. Динамикалық ә дістер, σ шамасының (Н/м, Дж/м²) кейбір процестерді сипатайтын параметрлер бойынша анық талуына негізделеді, мысалы, сұ йық тың беті бойынша таралатын капиллярлық толқ ынмен. Статикалық ә дістер, беттік керілістің осы кү й ү шін сипатты шама бойынша анық талады. Ары қ арай σ ө лшеудің тек қ ана статикалық ә дістері қ арастырылады.

Беттік керілісті газ кө бігіндегі максимал қ ысым ә дісімен ө лшеу.

Газ кө бігіндегі максимал қ ысым ә дісімен ө лшеу ең кең тарағ ан ә дістің бірі болып табылады. Балқ ымалардың беттік керілісінің осы ә діспен жоғ ары температураларды ө лшенуі, зерттелетін балқ ымағ а белгілі бір терең дікке тү сірілген капилляр арқ ылы инертті газ кө піршігін жаншуғ а немесе сұ йық тың тамшысын итеріп шығ араруғ а қ ажетті максимал қ ысымды анық тауғ а негізделген. Зерттелетін балқ ымағ а батырылғ ан радиусы r капиллярдың қ имасында қ алыптасқ ан газдың кө бігіндегі жалпы қ ысым р, беттік керідіс кү штерімен анық талатын гидростатикалық жә не капиллярлық қ ысымның қ осындысына тең:

P=gh(d₁ - d₂)+2 σ r (48)

мұ ндағ ы d₁ жә не d₂— балқ ыма мен инертті газдың сә йкесті тығ ыздығ ы. Бұ л тең деу диаметрі жеткілікті аз капиллярлар ү шін ғ ана дү \ұ рыс болатын нә тижелер береді.

Артық ша қ ысымның баяу жасалуы кезінде, сұ йық беті 1 жайғ асымнан тө менге жылжи бастайды (16 сурет, а)жә не қ ысымның ары қ арай кө терілуі менисктің тасымалдануы емес, тү зуленуіне келтіретін, бір жайғ асымғ а жетеді, ө йткені мұ ндай орын ауыстыру суланудың шекті бұ рыштарының жоғ арылауымен байланысты болар еді, ал шарт бойынша бұ л бұ рыш тұ рақ ты болып қ алуы керек. Кейбір қ ысымдарда сұ йық тың менискі жалпақ болады жә не бө ліну беттігі 2 жайғ асымғ а орналасады. Менисканың бұ л жағ дайы ү шін p₂=gdh.

Қ ысымды ары қ арай жоғ арылату кө піршіктің қ алаптасуына келтіреді, оның қ исық тығ ы қ ысымның жоғ арылауымен артады. 3 жайғ асымда кө піршік радиусы R₃ =r_в/sinθ тең.Яғ ни, 3 жайғ асымдағ ы жалпы қ ысым тең:

Р₃ = gdh + (2 σ sinθ)/ r_в (49)

Ары қ арай кө піршік қ ысымның аз ғ ана кө терілуімен 3 жағ дайдан 4-ге ығ ысады. 4 жағ дай ү шін жалпы қ ысым тең:

Р₄ = gdh + (2 σ sinθ)/r_н (50)

Қ ысымның ары қ арай жоғ арылауымен кө піршік 5 жайғ асымғ а орналасады. Бұ л жағ дай ү шін:

Р₅ = gdh + (2σ /r_н) (51)

а б в

16 сурет. Капилляр қ имасындағ ы газ кө бігінің қ алыптасуы.

Қ ысымның ары қ арай жоғ арылауы кө піршікті 6 жайғ асымғ а кө шіреді, бө ліну беттігіндегі қ исық тық радиуысының жылдам артуына, қ ысымның тө мендеуіне жә не кө піршіктің бұ зылуына ә келеді. Ал 90°< θ < 180° жағ дайы ү шін кө біктегі қ ысым екі максимумды болады, 3 жә не 5 жайғ асымда (16 сурет, в).

17 сурет. Сұ йық металдардың беттік керілісін газ кө бігіндегі максималды қ ысым ә дісімен ө лшеуге арналғ ан қ ондырғ ының сұ лбасы:

1 — қ ұ бырлы пеш; 2 — барботер; 3 — сыйымдылық; 4 — резең ке камера; 5 — сағ ат типті индикатор; 6 — қ ысымның тензометриялық датчигі; 7—капиллярдың орын ауыстыру механизмі; 8— сынамалы шток; 9 — мыстан жасалғ ан су суытқ ыш фурма; 10 — тиегіш кран; 11 — қ ақ пақ; 12 — қ ыздырғ ыш; 13 — капилляр; 14 — тигель; 15 — термоэлектрлік термометр; 16 — кө біктегі қ ысымды тіркеу потенциометрі; 17 — моновакуумметр;

18 — температураны тіркеуші потенциометр; 19 — газтазартқ ыш пештердегі температураны тіркеу жә не реттеу потенциометрі.

17 суретте бес негізгі бө лімнен тұ ратын қ ондырғ ының сұ лбасы келтірілген: вакуумдық постты балқ ыту аг­регаты, ө лшеуші бө лігі, кө біктегі газдың қ ысымын тіркеуші жү йе, инертті газды тазарту жү йесі жә не сынаманы алу мен металл температурасын ө лшеуге арналғ ан жү йе. Вольфрамды немесе графитті қ ыздырғ ыш < 2000 °С температура кезінде жұ мыс істеуге мү мкіндік береді.

Газ кө біктегі максимал қ ысым ә дісімен беттік керілісті ө лшеу кезінде капиллярдың балқ ымағ а батуының терең дігін дә л анық тау қ ажет. Бірқ атар жағ дайларда бұ л қ ателіктермен байланысты. Осы кемшілікті болдырмау ү шін бір терең дікке батырылғ ан ә ртү рлі диаметрлі екі капиллярды қ олданумен жү ргізілетін ә дістің бірнеше ө згерген тү рін пайдалануғ а болады (Сагден ә дісі). Бұ л нұ сқ ада беттік керіліс ү шін келесі тең деуді қ олдануғ а болады:

σ =1/2[(р₁ - р₂)/(1/х₁ -1/ х₂)] (52)

мұ ндағ ы х₁жә не х₂— бірізді жуық тау ә дісімен есептелетін капиллярлардың тиімді радиустері, р₁ жә не р₂— газ кө бігіндегі максимал қ ысымдар.

Газ кө бігіндегі максимал қ ысымдар ә дісі, беттік керілісті 2—10 % дә лдікте анық тауғ а мү мкіндік береді.

Ә дебиет: 1 нег. [79-130], 5 нег. [135-168].

Бақ ылау сұ рақ тары:

1. Газ кө бігіндегі максимал қ ысым ә дісімен беттік керілісті ө лшеу.

2. Қ андай процестер беттік керіліске негізделген?

3. Беттік керілісті ө лшеудің қ андай ә дістерін білесіз?

4. Беттік керілісіті газ кө бігіндегі максималды қ ысым ә дісімен ө лшеуге арналғ ан қ ондырғ ының жұ мыс істеу принципін тү сіндірің із.

5. Капиллярдың қ имасындағ ы газ кө бігі қ алай қ алыптасады?