Теоретичні відомості. Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відриву краплини

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відриву краплини

Лабораторна робота № 4

Контрольні запитання

1. Коли виникають сили внутрішнього тертя?
2. Записати і пояснити рівняння Ньютона для течії в’язкої рідини.

3. Які рідини є ньютонівськими і неньютонівськими?

4. Що розуміють під гематокрітом і від чого він залежить?

5. Назвати та пояснити основні закони гемодинаміки.

6. Основні методи віскозиметрії.

7. Проаналізувати метод капілярного віскозиметра.

Мета роботи: засвоїти метод відриву краплини для визначення коефіцієнта поверхневого натягу.

Обладнання: сталагмометр, розчини спирту різної концентрації, дистильована вода, резинова груша, термометр, хімічний стакан.

Поверхневий натяг відіграє важливу роль у природі та ме­дицині. Для життєдіяльності живих істот велике значення мають властивості поверхневого шару рідини, який знаходиться в спе­цифічному стані натягу. Якщо в судину попадають бульбашки повітря, поверхневий шар рідини є причиною закупорки судин.

Значення коефіцієнта поверхневого натягу біологічних рідин може служити діагностичним показником. Так, наприклад, при захворюванні на жовтяницю поверхневий натяг сечі різко зменшується внаслідок наявності у ній жовчних кислот.

При діабеті та деяких інших захворюваннях підвищується вміст ліпази у крові, а від її концентрації залежить коефіцієнт поверхневого натягу. На поверхнях розділу рідини та її насиченої пари, двох незмішуваних рідин, рідини і твердого тіла виникає сила, зумовлена різною міжмолекулярною взаємодією на межі цих середовищ. Кожна молекула всередині рідини рівномірно оточена сусідніми молекулами і взаємодіє з ними. Але рівнодійна цих сил рівна нулю. На молекулу, яка знаходиться поблизу межі двох середовищ, діє сила, не скомпенсована іншими молекулами рідини. Виникає напружений стан поверхневого шару рідини, який називають поверхневим натягом (він обумовлений силами взаємодії між молекулами цього шару).

Векторна сума сил притягання, які діють на контур, що обмежує поверхню рідини, називається силою поверхневого натягу F. Вона пропорційна числу молекул, прилягаючих до контуру, яке, в свою чергу, пропорційне його довжині l:

F = a × l, (2.4.1)

де a — коефіцієнт пропорційності, який називається коефіцієнтом поверхневого натягу:

, (2.4.2)

тобто, коефіцієнт поверхневого натягу рідини чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, прикладеній до одиниці довжини контуру, що обмежує поверхню рідини.

В СІ розмірність:

, в СГС .

Поверхневий натяг може бути визначений і енергетично: для переміщення молекул з об’єму в поверхневий шар необхідно виконати роботу. І тоді поверхневий натяг визначається роботою, витраченою на створення деякої поверхні рідини при сталій температурі, до площі цієї поверхні:

. (2.4.3)

В системі СІ розмірність , в СГС .

Зміна температури сильно впливає на значення коефіцієнта поверхневого натягу. Поблизу критичної температури значення a спадає лінійно із зростанням температури. На значення a дуже впливають і домішки, що знаходяться в рідині. Речовина, що зменшує a рідини, називається поверхнево-активною.

Для води поверхнево-активними є спирт, ефір, нафта, мило і т. д. Це явище пояснюється молекулярною теорією будови речовини: сили притягання між молекулами рідини біль­ші від сил притягання між молекулами рідини і поверхнево-активними домішками. Тому молекули поверхневого шару рідини притягаються усередину рідини сильніше, ніж молекули домішок — причому молекули поверхнево-активної речовини витісняються на її поверхню. Деякі речовини збільшують a рідини. Стосовно води прикладами такого роду домішок є цукор і сіль.

Очевидно, що молекули таких домішок будуть втягнуті усередину рідини і в поверхневому шарі залишаться переважно молекули рідини. Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу існують такі методи:

1. Метод підрахунку краплин — найбільш часто використовується в медицині. При повільному витіканні рідини з вузької вертикальної трубки на її нижньому кінці утворюються краплини. Краплина відривається в той момент, коли її вага (Р) стає рівною силі поверхневого натягу (F_н): Р = F_н. Згідно визначення, сила поверхневого натягу F = a × l.

Довжина контуру l, вздовж якого діють сили поверхневого натягу, для краплини рівна:

,

де r — радіус шийки капіляра. Тоді рівняння (2.4.4) можна записати у вигляді:

. (2.4.4)

Вага однієї краплини: , де r — густина рідини, n — число краплин в даному об’ємі V. Підставивши значення Р в (2.4.4), одержимо:

,

звідки

. (2.4.5)

Цією формулою зручно користуватися для визначення відносного коефіцієнта поверхневого натягу.

Рис 2.4.1. Сталагмометр.

Якщо маємо дві різні рідини і підрахуємо кількість краплин n0 та n1, утворених при витіканні однакових об’ємів цих рідин через один і той же капіляр (однакове r), то, згідно формули (2.4.5), для першої і другої рідини одержимо: . Поділивши перше рівняння на друге, одержимо:

. (2.4.6)

Звідси коефіцієнт поверхневого натягу досліджуваної рідини буде рівний:

. (2.4.7)

Це і є робоча формула даного методу. А відповідний прилад називається сталагмометром (рис. 2.4.1).

2. Метод капілярних трубок — рідина, стикаючись з твердим тілом, або його змочує, або не змочує. Якщо скляну трубку з малим (капілярним) отвором опустити в посудину з рідиною, поверхня рідини приймає в капілярі ввігнуту (при змочуванні — рис. 2.4.2, а) або опуклу (при незмочуванні — рис. 2.4.2, б) форму. За рахунок викривлення поверхні рідини виникає додатковий тиск DР. Цей тиск визначається за формулою Лапласа:

, (2.4.8)

де R — радіус кривизни поверхні рідини, a - її коефіцієнт поверхневого натягу. Рівень рідини в капілярі підіймається при змочуванні або опускається при незмочуванні на висоту h над рівнем у посудині. Підняття або опускання рідини в капілярі відбувається до такої висоти h, на якій гідростатичний тиск рідини r×g×h зрівноважує додатковий тиск DР, тобто:

. (2.4.9)

При повному змочуванні радіус кривизни поверхні рідини в капілярі R дорівнює радіусу капіляра r: R = r. Знаючи густину рідини, висоту її підняття в капілярі і радіус r капіляра, можна обчислити коефіцієнт поверхневого натягу за формулою:

. (2.4.10)

а б

Рис 2.4.2. Підняття (а) та опускання (б) води в капілярі.

3. Метод відриву кільця — оснований на вимірюванні сили F_n, необхідної для відриву тонкого кільця, яке своїм торцем торкається поверхні рідини і утримується силою поверхневого натягу, що діє по зовнішньому та внутрішньому обводам кільця: l = p × Д₁ + p × Д₂,×де Д₁ — внутрішній, а Д₂ — зовнішній діаметр кільця. Тоді F_n = a × p(Д₁ + Д₂), звідки коефіцієнт поверхневого натягу

. (2.4.11)

Рис.2.4.3. Схема методу Ребіндера.

Силу F_n визначають з допомогою торзійних терез.

4. Метод Ребіндера (або максимального тиску бульбашки). При цьому в посудину з досліджуваною рідиною опускають на невелику глибину капілярну трубку Т радіусом r, з’єднану з резиновою грушею Г і чутливим водяним манометром М (рис. 2.4.3).

Обережно нагнітаючи грушею в трубку повітря, добиваються утворення на її кінці бульбашки П. В момент відриву бульбашки по манометру фіксують DР, який зрівноважує додатковий тиск під криволінійною поверхнею бульбашки. Цей тиск DР (радіус бульбашки прирівнюється до радіуса r трубки). Звідси . Цим методом можна також визначити коефіцієнт поверхневого натягу, який виникає на межі розділу двох незмішуваних рідин.

Дата добавления: 2014-12-07