Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

Отсюда минимальное изменение плотности, которое можно измерить при наличии колебаний температуры Т, определяется выражением

Обычно величина ж на порядок больше тв. Для большинства применяемых при гидростатическом взвешивании вспомогательных жидкостей при 20 0С ж 1 10-3 К-1. Таким образом, использование жидкостей с меньшим коэффициентом объемного расширения повышает чувствительность измерений.

Несколько слов о составе вспомогательной жидкости. Нельзя использовать суспензии, т.е. жидкости, которые имеют непостоянную плотность во времени. Нежелательно использовать также растворы, так как в случае открытой поверхности жидкости плотность раствора вследствие преимущественного испарения легко летучих фракций может изменяться. Вспомогательная жидкость должна быть как можно более чистой по химическому составу.

При взвешивании определенное влияние оказывает вязкость вспомогательной жидкости, которая не должна превышать некоторых значений, при которых слишком велико противодействие движению исследуемых образцов в жидкости. Это приводит к колебанию коромысла. В случае, когда вязкость жидкости мала, при погружении в жидкость образца возможны конвективные потоки. Опытным путем было показано, что наилучшим образом удовлетворяет указанным требованиям жидкость с вязкостью 1 сантипуаз.

Поверхностное натяжение вспомогательной жидкости оказывает существенное влияние на вес образца за счет нити, которая взаимодействует с силами поверхностного натяжения жидкости. Из условий равновесия жидкости, соприкасающейся с твердой поверхностью металлической нити подвески при

386

увеличивающейся) нагрузке на нить со стороны мениска переменной длины. Эта нагрузка на нить подвеса с диаметром D в случае жидкости c поверхностным натяжением 1 записывается Р = 2 1cos. Для максимального снижения этих погрешностей нео-бходимо предельно снизить колебания размеров мениска за счет краевого угла и, если можно, его размеры. Следовательно, для этого необходимо брать очень тонкие нити с постоянным диаметром по длине. Практически диаметр может быть настолько мал, чтобы едва выдерживать вес образца. В качестве материала нити желательно использовать платину или её сплавы с иридием. Вспомогательная жидкость должна иметь малое поверхностное натяжение, слабо зависящее от чистоты жидкости.

Так как дополнительная нагрузка со стороны мениска пропорциональна косинусу краевого угла, желательно поддерживать этот угол близкий к нулю, что сводит к минимуму изменение нагрузки на нить из-за малых колебаний. Поэтому вспомогательная жидкость должна хорошо смачивать материал нити. Хорошему смачиванию способствует тщательная очистка поверхности нити перед взвешиванием. Можно достигать очень малых значений краевого угла, применяя нити со специальными покрытиями (например, нанося платиновую чернь, представляющую порошок платины из частиц размером 20-40 микрон, на

устойчива и не вступать во взаимодействие с материалом образца, нитью подвеса и термопарами. Этому условию удовлетворяют многие органические жидкости. В процессе измерений следует промывать образец и подвеску, поэтому нужно знать в каких средах рабочая жидкость хорошо растворяется.

388

Все используемые жидкости (за исключением воды) в большей или меньшей степени токсичны. Поэтому необходимо знать правила работы с такими жидкостями. Необходимы – тщательная герметизация аппаратуры, хорошая вентиляция помещения, устранение контакта жидкости с кожей и т.д.

Анализ и учет всех погрешностей, которые возникают при определении плотности в обычных условиях, показывает, что точность измерения не превышает значений 7 10-6 г/см3. Для получения надежных результатов при особо чувствительных измерениях надо использовать микровесы с большой относительной чувствительностью, например, кварцевые микровесы крутильного типа, схематично изображенные на рис. 7.2. Относительная чувствительность таких весов при максимальной нагрузке 5 г не меньше чем 10-7. Эти весы можно изготовить сравнительно небольшими по размерам и разместить в верхней части герметичного стеклянного сосуда, нижняя часть которого заполнена термостатируемой рабочей жидкостью, где производится взвешивание образца и эталона. Наличие специального узла для перемешивания жидкости и высокая эффективность системы термостатирования обеспечивают постоянство температуры рабочей жидкости в пределах 10-3 0С. Разность температур между держателями образца, погруженными в рабочую жидкость, измеряется дифференциальной термопарой медь-копель, соединенной с потенциометрической схемой. Величину термо-э.д.с. термопары измеряют компенсационным методом. Точность измерения разности температур между держателями образца составляет 210-4 0С. Измерения проводятся в вакууме.

7.3. Пикнометрический метод

Пикнометрический метод состоит в определении веса жидкости, вытесненной из специального сосуда – пикнометра погруженным в него исследуемым образцом. При этом произво-

389

дят три взвешивания: исследуемого образца на воздухе, пикнометра, наполненного дистиллированной водой или другой вспомогательной жидкостью, и пикнометра, наполненного той же жидкостью, в которую погружен образец. Каждый раз уровень жидкости, залитой в пикнометр, должен быть строго постоянным.

Рис. 7.2. Схема устройства весов для измерения плотности в вакууме:

1 – кварцевые микровесы; 2 – герметичный стеклянный сосуд; 3 – дифференциальная термопара; 4 – образец; 5 – эталон

Плотность исследуемого вещества определяют по формуле

390