Исследование испарения жидкости методом пьезокварцевого микровзвешивания

STUDY OF LIQUID EVAPORATION BY THE METHOD OF PIEZOQUARTAN MICROWAVING

Alexandr Zavodovskiy

Cand. Phys. – Mat. Sciences, associate professor, Surgut State University, Russia, Surgut

Аннотация. В данной работе были выполнены эксперименталь­ные исследования испарения различных жидкостей с металлической поверхности с помощью метода пьезокварцевого микровзвешивания. Анализ полученных результатов позволил оценить постоянную испа­рения в рамках простой модели.

Abstract. In this work, experimental studies of the evaporation of various liquids from a metal surface using the piezoquartz microweighting method were performed. Analysis of the results obtained allowed us to estimate the evaporation constant in the framework of a simple model.

Ключевые слова: жидкость; испарение; пьезокварцевое микро­взвешивание; постоянная испарения.

Keywords: liquid; evaporation; piezoquartz microweighting; constant evaporation.

Испарение и конденсация играют основополагающую роль в круговороте воды на земле и обеспечении жизнедеятельности растений и животных. Наряду с сублимацией эти процессы широко используется в промышленной практике для очистки веществ, сушки материалов, разделения смесей, нанесения покрытий, кондиционирования воздуха и т. п.

В 1882 г. Герц описал эксперименты, поставленные таким образом, что можно было непосредственно определять скорость испарения жидкости [1]. Теоретический анализ результатов этих экспериментов привел к двум фундаментальным выводам: во-первых, каждое вещество имеет максимум скорости испарения, который определяется только температурой поверхности и свойствами вещества; во-вторых, максимальная скорость испарения не может превышать числа молекул газовой фазы, падающих на поверхность конденсата за единицу времени при равновесных условиях.

В настоящее время для исследования процесса испарения используют различные экспериментальные методы. К ним относятся теневой метод визуализации оптически неоднородных сред, метод интерферометрии и другие [2]. Одним наиболее чувствительных методов исследования является метод пьезокварцевого микровзвешивания [3].

Контроль потери массы материалов традиционным методом непосредственно взвешивания обладает рядом существенных недос­татков – это неустойчивость к вибрациям и изменению температуры, строго фиксированное положение в пространстве. Этих недостатков лишены кварцевые микровесы, чувствительным элементом которых является кварцевый пьезорезонатор.

При определенных условиях эксплуатации с помощью кварцевого пьезорезонатора можно определять абсолютное значение потери массы материалов, а также изучать кинетику испарения материалов в изотермических условиях.

Блок-схема экспериментальной установки, используемой в работе для исследования испарения жидкости, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Блок-схема установки для исследования процессов испарения методом пьезокварцевого микровзвешивания

Основой экспериментальной установки является пьезокварцевый резонатор 1, который находится в специальным термостате 2. В работе использовалась пьезокварцевая пластинка АТ-среза с серебряными электродами. На основе этого резонатора, который имел собственную частоту ƒ₀=2,65 МГц, был собран измерительный генератор 3. Питание генератора осуществляется от источника постоянного тока 4. Частота генератора регистрируется с помощью частотомера 5, а сигнал контро­лируется осциллографом 6.

Изучаемая жидкость наносилась калиброванной каплей на поверхность электрода резонатора с помощью капиллярной иглы. При этом частота его колебаний уменьшалась до значения ƒ. Это значение фиксировалось с помощью частотомера.

Определялось изменение частоты генератора относительно начального значения:

Δƒ₀=ƒ₀-ƒ.

Затем рассчитывалась масса капли на поверхности резонатора по формуле:

Δm₀=C_ƒΔƒ_0,

где:   C_ƒ – массовый коэффициент, который определялся экспери­ментально.

В работе были использованы две жидкости: этиловый спирт и хлороформ.

При испарении жидкости на поверхности электрода резонатора ее масса Δm=Δm(t) и с течением времени уменьшается. На рисунке 2 показано изменение массы капли спирта в результате его испарения при температуре 300 К.

Рисунок 2. Зависимость массы капли спирта от времени при его испарении (Т=300К)

В рамках простейшей модели предполагалось, что зависимость Δm=Δm(t) носит экспоненциальный характер:

Δm=Δm₀´ехр (-αt),

где:   α - постоянная испарения жидкости.

На основании анализа опытных данных была определена постоян­ная испарения спирта. Она оказалась равной 

α =(0,00312±0,00021) с^-1

На рисунке 3 представлены результаты испарения капли хлоро­форма при температуре 300 К.

Рисунок 3. Зависимость изменения массы капли хлороформа от времени (Т=300 К)

Постоянная испарения хлороформа при данных условиях эксперимента α=(0,01337±0,00083) с^-1

Анализ полученных результатов показывает, что возможности метода пьезоквацевого микровзвешивания позволяют изучать кинетику испарения жидкости в зависимости от параметров воздушной среды в термостате, а также от температуры и природы поверхности.