Конкретные задачи

Студент должен знать:

молекулярное строение жидкостей, свойства поверхностного слоя жидкостей, капиллярные явления, влияние ПАВ на коэффициент поверхностного натяжения, явление газовой эмболии

Студент должен уметь:

• определять силу отрыва кольца с помощью торсионных весов

• определять число капель с помощью бюретки

вычислять коэффициент поверхностного натяжения жидкостей

Развивающая цель:

• способствовать развитию познавательных интересов, раскрывая природу явлений и способствовать формированию системного мышления

Воспитательная цель:

• способствовать формированию устойчивого стремления к получению знаний и пониманию высокой их значимости и практической ценности в дальнейшей профессиональной деятельности

Межпредметные и внутрипредметные связи

Задания для самоподготовки:

1 - Рассмотреть состояние поверхностного слоя жидкости и указать причину возникновения сил поверхностного натяжения

2- Представить расположение краевых углов для смачивающей и несмачивающей жидкостей

3- Выведите рабочие формулыдля лабораторной работы

Литература, рекомендуемая для самоподготовки:

Основная

1 – «Медицинская и биологическая физика» 7-е изд., Ремизов А.Н. и др. Издательство Дрофа. 2007 (можно более ранние издания)

2 – «Биофизика» - Антонов В. Ф., и другие. Издательство: Владос. 2006

3– «Медицинская биофизика» Самойлов В.О. СПб: Издательство: СпецЛит Учебник для вузов - 2004.

4-« Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике: учебное пособие» Эссаулова И.А М: Высшая школа.1987

Дополнительная

Интернет - Электронная библиотека (можно скачать бесплатно):

1 - Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Academia, 2004— 520 с

Учебное пособие (9-е издание, переработанное и дополненное, — 2004 г.) состоит из семи частей, в которых изложены физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Установлена логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.

2 - Биофизика Рубин А.Б. 1999. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

Вопросы для самоподготовки

- по базисным знаниям:

• молекулярное строение жидкостей

• свойства поверхностного слоя жидкости

• потенциальная энергия поверхностного слоя жидкости

- по данной теме:

• капиллярные явления

• параметры, влияющие на величину коэффициента поверхностного натяжения

• единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения

• смачивающие и несмачивающие жидкости

• молекулярное давление под сферической поверхностью

• формула Лапласа

• высота подъема жидкости в капилляре

• влияние поверхностно-активных веществ на коэффициент поверхностного натяжения

• газовая эмболия

Краткая теория

Обычные жидкости изотропны, структурно они являются аморфными телами. Для внутреннего строения жидкостей характерен ближайший порядок (упорядоченное относительное расположение

ближайших частиц). Расстояния между молекулами жидкости малы, силы взаимодействия значительны. Жидкости мало сжимаемы, обладают большой плотностью, принимают форму сосуда, в котором находятся.

Рассмотрим молекулу (1), находящуюся в объеме жидкости (рис.1),она испытывает, в основном, одинаковые силы притяжения

к

Рис.1

о всем окружающим ее соседним молекулам. Молекула (2), находящаяся на поверхности, испытывает большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объеме жидкости и меньшее вверху со стороны молекул пара. В результате на молекулу в поверхностном слое действует нескомпенсированная силаF. Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой связан с необходимостью совершения работы против действующих в поверхностном слое сил.

Таким образом молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией, называемой поверхностной энергией. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Силы, действующие по касательной к поверхности и стремящиеся сократить площадь

свободной поверхности называются силами поверхностного натяжения.

Работа A, которую необходимо совершить для изотермического образования свободной поверхности пропорциональна площади свободной поверхности S:

(1)

- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения (поверхностным натяжением.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе

которую необходимо совершить для изотермического образования единицы площади свободной поверхности.

Единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения в СИ:

Pис.2 Рис.3

Возьмем изогнутую в виде буквы П проволочную рамку и опустим в сосуд с жидкостью (рис. 2). Работа, которую необходимо совершить для образования пленки жидкости (имеющей 2 свободные поверхности (рис.3)) с одной стороны может быть рассчитана по формуле (1):

(2)

с другой стороны найдена по определению:

(3)

где F - сила поверхностного натяжения, - перемещение рамки.

Приравнивая правые части соотношений (2) и (3), получим:

, откуда следует, что

(4)

где - периметр смачивания - длина линии, перпендикулярно которой, действуют силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к свободной поверхности.

Таким образом мы имеем два тождественных определения коэффициента поверхностного натяжения:

;

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, ее состояния ( в частности от температуры : с повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения линейно убывает).

Для уменьшения поверхностного натяжения жидкости к ней добавляют специальные примеси (мыло, жирные кислоты), которые располагаются на поверхности и уменьшают поверхностную энергию.

Такие вещества называются поверхностно активными веществами ( ПАВ).

Давление под изогнутой поверхностью жидкости. Вывод формулы Лапласа.

Рассмотрим сферическую каплю жидкости (рис. 4). Оценим добавочное давление создаваемое силами поверхностного натяжения. По определению давления, с учетом соотношения (4):

, где-радиус капли, после сокращения имеем:(5) - это формула Лапласа.

В общем случае, для поверхности любой формы добавочное давление определяется соотношением:

(6)

Следует помнить, что радиусы кривизны и

поверхностей в формуле (6) алгебраи- Рис.4

ческие величины. Если центр кривизны

нормального сечения находится под свободной поверхностью (рис.5),

то r>0 (соответственно, добавочное давление), Если над (рис.6), тоr<0 , .

Рис.5 Рис.6

Капиллярные явления, смачивающие и несмачивающие жидкости. Подъем и опускание жидкости в капилляре

При рассмотрении явлений на границе раздела различных сред следует иметь в виду, что поверхностная энергия жидкости или твердого тела зависит не только от свойств данной жидкости или твердого тела, но и от свойств того вещества, с которым они граничат, т.е. нужно рассматривать суммарную поверхностную энергию 2-х граничащих друг с другом веществ. Если граничат между собой три вещества, то вся система принимает конфигурацию, соответствующую минимуму суммарной энергии.

Угол (тета), отсчитываемый между касательными к поверхности твердого тела и к поверхности жидкости, внутри жидкости, называется краевым углом.

Жидкость смачивает твердое тело, если (рис.7), при

имеет место явление полного смачивания. При жидкости не смачивает твердое тело (рис.8) , приимеем полное несмачивание.

θ

θ

Рис. 7 Рис.8

Существование явлений смачивания и несмачивания приводит к тому, что вблизи стенок сосуда наблюдается искривление поверхности жидкости. В узкой трубке - капилляре искривленной оказывается любая поверхность. Такая поверхность называется мениском. Таким образом, капиллярные явления- это подъем или опускание жидкости в капилляре под действием добавочного давления.

Высота подъема жидкости в капиллярной трубке

В капилляре гидростатическое давление должно уравновешиваться добавочным давлением:

,

откуда следует: =- высота подъема жидкости в капиллярной трубке,r- плотность жидкости,r- радиус капилляра.

Медикам необходимо знать коэффициент поверхностного натяжение биологических жидкостей т.к. он в некоторых случаях может служить диагностическим фактором:

- при желтухе коэффициент поверхностного натяжение мочи уменьшается:

- при диабете из-за увеличения содержания липазы в крови также изменяется поверхностное натяжение крови.

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. В случае измерения поверхностного натяжения растворов (особенно полимеров или ПАВ) следует пользоваться статическими методами.

Протокол