4 Сұйықтардың беттік кернеулігін анықтау

Құралдар және жабдықтар:

Ребиндер әдісімен беттік керілісті анықтау үшін қондырғы, зерттелетін сұйық, тамызғыш, әр түрлі концентрациялы спирт ерітінділері.

Жұмыстың мақсаты: беттік керілістің ерітінді концентрациясы мен температураға тәуелділігін зерттеу.

Сұйықтың ішінде орналасқан молекула оны қоршаған молекулалармен әрекеттеседі. Әрекеттесулер симметриялық болғандықтан, тең әсер ететін де нөлге тең болады. Беттің жанында орналасқан молекула үшін симметрия бұзылады және басқа молекулалардың әсерімен компенсацияланбаған және сұйықтың ішіне бағытталған күш пайда болады. Сондықтан молекулалардың сұйықтың тереңінен беттік қабатқа орналасуы үшін жұмыс атқару қажет.

Сыртқы күштер болмаған кезде сұйықтың молекулалары потенциалды энергияның минимумына сәйкес келетін орынды алуға тырысады, сондықтан сұйық бос жағдайда ауданның минималды ауданына ие болғысы келеді және шар формасына келеді. Беттік қабат тығызданады, бетке жанама бойынша бағытталған серпімді күштер (беттік керіліс күштері) әрекет етеді. Егер шартты түрде сұйық бетінде ұзындығы l кескінді таңдасақ (сурет 4.1), онда беттік керіліс күштері F кескінге перпендикуляр бағдарлармен суреттеуге болады.

Сурет 4.1

Беттік керіліс тең

Беттік қабаттың молекулалары сұйықтың ішінде орналасқан молекулалармен салыстырғанда үлкен потенциалды энергияға ие болғандықтан, онда сұйықтың бетінің ауданын ұлғайту үшін беттік керіліс күштеріне қарсы жұмыс жасау керек. Онда

Беттік керілісті анықтау үшін тамшылардың үзілу алу әдісін пайдаланады. Тесік немесе тік түтікшеден сұйықтың баяу ағуы кезінде тамшы пайда болады. Радиусы тесік радиусынан аз тамшы мойыны немесе перетяжка бойынша жұлынып алу өтеді. Болжанып отырғандай, жұлынып алу кезінде беттік керілістің күші

тамшының ауырлық күшіне тең

мұнда R – тамшы мойынының радиусы; ρ – сұйықтың тығыздығы; V – тамшы көлемі.

Яғни

,

осыдан

(4.1)

Тамшының мойынының радиусын тәжірибе жүзінде өлшеу мүмкін емес (оны жұлып алу кезінде тамшыны фотоға түсіру кезінде ғана жасауға болады), сондықтан, тамшыны жұлып алу әдісін пайдалана отырып, салыстырмалы әдіске жүгінеді.

Егер стандартты сұйықтың беттік керілісі белгілі болса σ₀, мысалы судың, онда [(4.1) формуласы] келесідей жазуға болады

(4.2)

Су мен зерттелетін сұйықтың бірдей көлемдерін алып V₁, бір тамшының көлемін есептеуге болады

(су), (зерттелетін сұйық).

Бұл көріністерді сәйкесінше (4.1) және (4.2) қоя отырып, аламыз

(4.3)

(4.4)

Беттік керілісті анықтау үшін сонымен қатар ауа көпіршігінде максималды қысым әдісін пайдаланады. Беттік керіліс күштерінің әсерімен сұйықтың беттік қабаты қисаяды, бұл сұйыққа қосымша қысымның пайда болуына әкеледі. Бұл шамадан тыс қысым қисайған беттің ойыстық жағына бағытталған. Сфералық бет жағдайында шамадан тыс қысым тең

(4.5)

мұнда r – беттің қисықтығының радиусы.

Егер сұйығы бар тығызы жабылған сауытқа қақпақша арқылы ұшы сұйыққа жанасатын, ал үстіңгі ұшы ашық капиллярға енгізсе, онда қысым азайған кезде сауытта сұйыққа капилляр арқылы атмосфералық қысым әсерімен р_ат ауаның көпіршігі сығылады. Көбікшенің үзілу алуы уақытында сауытта қысым және шамадан тыс қысымға тең атмосфералық қысым

или (4.6)

(4.5) көрінісін пайдалана отырып, аламыз

(4.7)

Қондырғыны суреттеу

Тамшыларды үзіп алу әдісімен беттік керілісті анықтау үшін қондырғы тік штативке бекітілген тамызғыш (сурет 4.1, а) немесе сталагмометр (сурет 4.1, б) болып келеді. Тамызғыш – ол тар төмеңгі сақинасы бар шыны түтікше.

Сурет 4.1

Сурет 4.2

Түтікшенің тар бөлігі алдында тамызғыштан сұйықтың ағуы реттелетін кран бар. Түтікшеге ағатын сұйықтың көлемін өлшеуге мүмкіндік беретін бөлгіштер салынған.

Сталагмометр – шар тәрізді кеңейтуі бар шыны капилляр түтікше. Сталагмометре сұйықтың белгілі бір көлемін шектейтін А және В белгілері бар. Сталагмометрге сұйық резеңке грушамен сорылады.

Ауа көбікшесінде максималды қысым әдісімен беттік керілісті өлшеу үшін құрылғы (сурет 4.2) П. А. Ребиндермен құрастырлған.

Ол манометрмен және жабық сауытпен В қосылған сумен толтырылған аспиратордан N тұрады. В сауытын электроплиткамен жылытыла алатын суы бар стаканға салады. Температура термометрмен өлшенеді. К кранын жауып, аспиратордың кранын ашса, онда одан ағып кетеді. Бұл аспираторда қысымның төмендеуіне әкеледі, демек онымен қосылған В сауытында да. Қысымдардың кейбір айырмашылықтарында (атмосфералық және жүйе ішінде арасында) сұйыққа капилляр арқылы ауаның көбікшесі жылжытылады. Осы кезде (4.6) шарты орындалады. Δр қысымы манометрмен өлшенеді. Беттік керіліс (4.7) формуласы бойынша анықтала алады. Капиллярдың радиусын табу үшін салыстырмалы әдісті қолданады. Алдымен стандартты сұйық үшін Δр₀ өлшеуін жүргізеді, оның беттік керілісі σ₀ белгілі. А = r/2 шамасы берілген құрылғының тұрақтысы болып табылады және стандартты сұйық үшін өлшеулерден анықталады

(4.8)

Зерттелетін сұйықтың беттік керілісі

(4.9)

Жұмысты орындау тәртібі

1 Тамшыларды жұлып алу әдісімен беттік керілісті анықтау:

а) тамызғышты жуыңыз, оны штативке тігінен бекітіңіз және оған тазартылған судың белгілі бір мөлшерін құйыңыз;

б) кранды аша отырып, берілген көлемде су тамшыларының санын есептеңіз п₀. Бақылауды үш рет қайталаңыз және табыңыз ;

в) тамызғышқа С концентрациялы спирттің ерітіндісінің сондай көлемін құйыңыз және берілген көлемде тамшылардың п санын есептңіз. Бақылауды үш рет қайталаңыз және табыңыз ;

г) басқа концентрациялы С₂ және С₃ спирт ерітінділерімен осындай өлшеулерді жүргізіңіз;

д) спирт ерітінділерінің беттік керілісін есептеңіз σ;

е) өлшеулер мен есептеулер нәтижелелерін 4.1 кестесіне енгізіңіз;

Кесте 4.1

п1	п2	п3		σ, Н/м

ж) сенімді ықтималдылығы р = 0,95 әрбір концентрациялы ерітінділер үшін беттік керілісті өлшеудің қателігін анықтаңыз Δσ;

з) концетрациядан спирттің беттік керілісінің тәуелділік графигін салыңыз.

2 Ауа көбікшесінде максималды қысым жасау әдісімен беттік керілісті анықтаңыз:

а) аспираторға бүйір бөлшек деңгейіне дейін суды құйыңыз;

б) ұстауышқа В тазартылған су бар сауытты салыңыз.

Капиллярдың ұшы суға 2 мм аспай салынатындай етіп, капилляры бар қақпақпен тығыз жабыңыз;

в) К кранын жабыңыз;

г) қысымның өзгеруі баяу өтіп, көбікшелердің жұлынып алынуы кезінде сұйықтықтың деңгейлерін жеңіл есептеуге болатындай етіп аспиратордың кранын ашыңыз;

д) көбікшелердің жұлынып алынуы кезінде манометрдің сол жақ тізесі бойынша есептеуді жүргізіңіз Н₁. есептеуді үш рет кем емес жүргізіңіз және табыңыз;

е) көбікшелердің жұлынуын бақылай отырып, манометрдің оң жақ тізесі бойынша үш реттен кем емес есептеуді жүргізіңіз Н₂ және табыңыз;

ж) есептеңіз ;

з) құрылғының тұрақты А анықтаңыз [(4.8) формуласн];

и) өлшеулер мен есептеулер нәтижелелерін 4.2 кестеге жазыңыз;

Кесте 4.2

Н11, мм	Н12, мм	Н13, мм	, мм	Н21, мм	Н22, мм	Н23, мм	, мм	Δр0, мм. су. ст.	А,

к) В₁ тазартылған су бар сауытты В₂ зерттелетін сұйық бар сауытқа алмастырыңыз;

л) электроплитканы қосыңыз және әр түрлі температураларда 1 тапсырмада сияқты өлшеулер жасаңыз;

м) әр түрлі температурада сұйықтан беттік керілісті есептеңіз [(4.9) қара];

н) өлшеулер мен есептеулердің нәтижелелерін 4.3 кестеге енгізіңіз;

Кесте 4.3

t, ºC	Н11, мм	Н12, мм	Н13, мм	, мм	Н21, мм	Н22, мм	Н23, мм	, мм	Δр0, мм. вод. ст.	σ, Н/м

Сұрақтар мен тапсырмалар

1 Беттік керілістің құбылысының мәні неде?

2 Беттік керіліс күші деген не және ол қалай бағытталған?

3 Беттік керілістің анықтамасын беріңіз және оны СИ бірлігіде көрсетіңіз.

4 Беттік-белсенді заттар деген не?

5 Тамшыларды жұлып алу әдісімен беттік керілісті өлшеудің мәні неде?

6 Көбікшете максималды қысым көрсету әдісімен беттік керілісті өлшеудің мәні неде?

7 Беттік керіліс температураға қалай тәуелді?

8 Беттік керілісті зерттеу қандай орынға ие?

9 Беттік керіліс ерітінді концентрациясына қалай тәуелді?

Өздік бақылау үшін тапсырмалар

1 Беттік керіліс құбылысының пайда болу себебі болып табылады:

а) шекаралас орталардың температураларының айырмашылықтары;

б) шекаралас орталардың молекулаларының қозғалысының жылдамдықтарындағы айырмашылық;

в) шекаралас орталардың молекулалары арасында,ы өзара қатынас күштерінің айырмашылығы;

г) шекаралас орталардың тығыздықтарының айырмашылығы.

2 Беттік керілісті анықтаудың формуласын көрсетіңіз:

а) ;

б) ;

в) ;

г)

3 Беттік керілістің СИ бірлігін көрсетіңіз:

а) Па·с;

б) Н·м;

в) Дж/м;

г) Н/м.

4 Сұйықтарды қыздырған кезде беттік керіліс:

а) ұлғаяды;

б) өзгеріссіз қалады;

в) кішірейеді;

г) 10% өзгереді.

5 r радиусының сұйықтың сфералық беті астында пайда болатын қосымша Δр қысым формула бойынша анықталады,:

а) ;

б) ;

в) ;

г) ;

д) .