Pomiar napięcia powierzchniowego na granicy ropa - powietrze

1. Wstęp teoretyczny.

Napięcie powierzchniowe na granicy dwóch nie mieszających się cieczy lub cieczy
i gazu jest wynikiem nie skompensowanych sił międzycząsteczkowych, działających
w warstwie granicznej. Warstwa graniczna posiada pewien nadmiar energii w porównaniu
z warstwą analogicznej grubości wewnątrz rozpatrywanej cieczy. Dlatego też dla utworzenia nowej powierzchni rozdziału niezbędne jest wykonanie pewnej pracy. Konieczne jest również zaznaczenie, do jakiej powierzchni granicznej odnosi się dane na-pięcie powierzchniowe σ .

Przy występowaniu napięcia powierzchniowego ciecze mają tendencję do przyjmowania kształtu kulistego , gdyż kształtowi temu odpowiada przy danej objętości najmniejsza powierzchnia . Jeżeli oprócz napięcia powierzchniowego na ciecz działają inne siły , np. grawitacji , to mogą one powodować zmiany kształtu cieczy . Wpływ sił napięcia powierzchniowego i grawitacji jest różny , zależnie od objętości cieczy, z którą mamy do czynienia. Przy małej objętości cieczy mamy duży stosunek powierzchni do objętości; wówczas działanie sił napięcia powierzchniowego jest duże w porównaniu do siły ciężkości, działającej na ciecz. W rezultacie małe krople cieczy przyjmują łatwo kształt kulisty ( np. rozlana na szkle rtęć ). Inaczej natomiast wygląda, gdy mamy do czynienia z dużymi objętościami cieczy: wówczas powierzchnia jest mała w porównaniu z objętością cieczy. Powoduje to, że siły napięcia powierzchniowego odgrywają drugorzędną rolę w porównaniu
z siłami ciężkości, dzięki którym ciecz gromadzi się na dnie naczynia i przyjmuje jego kształt. Napięcie na granicy faz powoduje tylko niewielkie wygięcie powierzchni cieczy w pobliżu miejsca, gdzie stykają się ciecz, gaz i ścianki naczynia.

Napięcie powierzchniowe na granicy ropa - gaz maleje ze wzrostem ciśnienia
i temperatury. Spadek ten jest tym większy, im lepiej dany gaz jest rozpuszczalny w ropie. Natomiast napięcie powierz-chniowe na granicy ropa - woda nie jest zależne od ciśnienia .

Istnieje kilka metod pomiaru napięcia powierzchniowego ropy na granicy z gazem
i cieczami :

a) stalagmometryczna,

b) zjawiska włoskowatości,

c) tensometryczna,

d) pomiaru ciśnienia pęcherzyka gazu,

e) pomiaru kształtu kropli.

Nasze pomiary dokonywaliśmy za pomocą pierwszej z metod .

2. Przeprowadzenie doświadczenia.

Metoda stalagmometryczna jest jedną z najczęściej stosowanych metod pomiaru napięcia powierzchniowego. Zasadniczą częścią zestawu jest stalagmometr ( pipeta ) z badaną cieczą, który zakończony jest kurkiem odcinającym, znajdującym się w cylindrze pomiarowym . W dolnej części cylindra pomiarowego znajduje się naczynie na ściekającą ciecz.

Pomiaru dokonujemy w ten sposób, że najpierw wlewamy wodę destylowaną do stalagmometru, celem jego wykalibrowania. Przy wypływie tworzących się kropli liczymy ich ilość. Następnie do stalagmometru wlewamy tę samą ilość ropy i postępujemy jak poprzednio. Dla większej dokładności pomiary wykonujemy pięciokrotnie.

3. Prezentacja wyników

Wartość napięcia powierzchniowego liczymy ze wzoru :

gdzie : ρ_x - gęstość badanej ropy ρ_x = 827 [kg/m³] ,

ρ_H2O - gęstość wody ρ_H2O = 1000 [kg/m³] ,

η_x - ilość kropel badanej ropy

η_H2O - ilość kropel wody

σ_H2O - napięcie powierzchniowe wody des- σ_H2O = 72 ,8 ⋅ 10 ^-3 [N/m]

tylowanej na granicy z powietrzem

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń

Ilość kropel H2O	Ilość kropel ropy	Średnia ilość kropel H2O	Średnia ilość ropy	Napięcie powierz- chniowe ropy [N/m]
71	136	64	139,6	27,60 ⋅ 10^-3
68	148
53	135

4. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia

Wykonane przez nas doświadczenie pozwoliło nam zapoznać się z jedną z metod pomiaru napięcia powierzchniowego wielkości charakteryzującej ropę naftową. Wielkości, od której zależy, jak dana ropa będzie się zachowywać w czasie wydobywania jej ze złoża, jak również podczas transportu, co jest szczególnie ważne podczas opracowywania strategii jej pozyskania ( dobór najwłaściwszej technologii ).

Metoda stalagmometryczna to metoda prosta w użyciu i w miarę dokładna, pozwalająca na szybkie oszacowanie wartości współczynnika napięcia powierzchniowego.

15

---