physics_labs / лаб07

0

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Методические указания для лабораторной работы № 7

Тверь 2005

Методические указания составлены кафедрой медбиофизики ТГМА и предназначены в помощь студентам лечебного, стоматологического, педиатрического и фармацевтического факультетов при подготовке и выполнении лабораторной работы.

Лабораторная работа N7

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1. Теоретически изучить явление поверхностного натяжения и методы опре-деления коэффициента поверхностного натяжения (КПН).

2. Экспериментально освоить метод оп-ределения коэффициента поверхностного натяжения с помощью торсионных весов.

3. Экспериментально на качественном уровне определить влияние температуры и примесей на коэффициент поверхностного натяжения.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: торсионные весы с пластинкой Вильгельми, чашка Петри, дистиллированная вода, пинцет, глюкоза, мыльный раствор, пипетка, спиртовка, спички, термометр.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

В жидкостях силы притяжения, действующие между молекулами, хотя и не так сильны как в твердых телах, но вполне достаточны для того, чтобы вещество в конденсированном состоянии обладало поверхностью. Силы притяжения, существующие между соседними молекулами одного ти­па, называются когезионными силами; они особенно важны в явлениях, связанных с поверхностями жидкостей.

Между молекулами любого вещества существуют силы взаимного притяжения, которые действуют на очень малых расстояниях порядка 10^-9м. Если вокруг молекулы, находящейся в глубине жидкости взять сферу с радиусом порядка 10^-9м (радиус действия), то в нее попадет большое количество молекул (для воды около 140 молекул). В силу симметрии расположения молекул в полученной сфере вокруг центральной молекулы суммарная сила их действия на центральную молекулу равна нулю. Молекула же на поверхности притягивается лишь молекулами, находящимися снизу и с боков от нее, и не испытывает заметного влияния со стороны молекул, находящихся сверху (пар). Поэтому потенциальная энергия молекул, расположенных вблизи поверхности, больше, чем у молекул внутри жидкости.

При отсутствии внешних сил молекулы жидкости стремятся занять положение, соответствующее минимуму энергии, поэтому жидкость в свободном состоянии стремится иметь минимальную площадь поверхности и принимает сферическую форму. Допустим, вы добавили немного оливкового масла в жидкость (такую, как уксус или спиртово-водный раствор), имеющую такую же плотность, что и масло, но с которой масло не смешивается. Затем, если вы встряхнете смесь, вы увидите маленькие шарики оливкового масла внутри исходной жидкости. Капельки в самом деле будут сферическими, поскольку внешнее силовое воздействие исключено благодаря тому, что масло помещено в среду с той же плотностью. Это наблюдение было сделано бельгийским физиком Жозефом Плато в 1873 году.

Если каждая молекула стремится уйти с поверхности внутрь жидкости и вследствие этого сама поверхность жидкости имеет стремлении уменьшить свою величину до минимума, то на поверхности жидкости создается особое напряжение, которое называют поверхностным натяжением. Объяснить поверхностное натяжение путем детального рассмотрения сил, действующих между молекулами, гораздо сложнее, чем с энергетической точки зрения. Однако, для практических целей силовое действие поверхностного натяжения можно описать феноменологически, то есть исходя из наблюдаемых фактов и игнорируя молекулярный механизм явления.

Опыт говорит, что СИЛА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ВСЕГДА НАПРАВЛЕНА ПО КАСАТЕЛЬНОЙ К ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТИ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО ЛИНИИ, ОГРАНИЧИВАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬ ЖИДКОСТИ, И ПОСТОЯННА ПО ВЕЛИЧИНЕ.

Если погрузить в мыльную воду проволочный каркас, а затем вынуть, то он затянется мыльной пленкой. Пленка сразу же начнет сокращаться (молекулы уходят внутрь жидкости) и потянет за собой кверху легкую подвижную перекладину с двумя колечками а-а.

Пусть перекладинка длиной l поднялась на h ,при этом пленка совершила работу:

А = mgh

где т- масса перекладинки. К каждой точке перекладинки приложена сила поверхностного натяжения, направлен-ная вверх. Если эта сила рассчитана на единицу длины контура пленки, то она называется коэффициентом поверхностного натяжения (КПН), обозначается буквой  и измеряется в Н/м. Так как мыльная пленка имеет две поверхности, то вся сила, действующая на перекладинку:

F=2l (1)

Работа, совершенная пленкой:

A=2lh (2)

Но работа есть мера перехода одного вида энергии в другой или мера перехода энергии от одного тела к другому. В данном случае - потенциальную энергию поднятой перекладинки.

Таким образом, у пленки сила поверхностного натяжения, приложенная к перекладинке. осталась прежней, а энергия уменьшилась на величину:

2lh = 2S [дж ] (3)

Уменьшилась и поверхность на величину

2lh = 2S [м²] (4)

Разделив (3) на (4), получим:

Отсюда видно, что коэффициент поверхностного натяжения может измеряться и как энергия, приходящаяся на единицу площади поверхности пленки, и как сила, действующая на единицу длины контура пленки. Противоречия в размерностях нет, так как:

1

Если мы снова растянем пленку на каркасе на Δh до прежней величины, то мы должны увеличить число молекул на ее поверхности, извлечь их изнутри, преодолевая силу молекулярного давления, направленную внутрь жидкости, то есть совершить работу.

Коэффициент поверхностного натяжения у разных жидкостей различен: σ - одна из физических констант, по которым может быть установлена неизвестная жидкость.

Следует отметить, что КПН существенно зависит от наличия примесей. При растворении твердого или жидкого вещества в жидком растворителе силы притяжения между молекулами растворенного вещества и растворителя меньше сил притяжения между молекулами растворителя.

Таблиц-ч 1. Поверхностное натяжение некоторых жидкостей на границе с воздухом.

Жидкость

Температура

σ, Н/м

Ацетон 20 0,0237

Метиловый спирт 20 0,0226

Глицерин 20 0,0634

Ртуть 15 0,487

Мыльный раствор 20 0,025

Желчь 20 0,048

Сыворотка крови 20 0,06

Моча 20 0,066

Вода 0 0,0756

Вода 20 0,0728

Вода 30 0,0712

Вода 100 0,0588

Такие растворенные вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). К ним принадлежит мыло при растворении в воде, ряд жирных кислот, желчь и многие другие. Так как молекулы растворенного вещества притягиваются молекулами растворителя слабее, чем молекулы растворителя, то из поверхностного слоя внутрь жидкости преимущественно втягиваются молекулы растворителя, и в поверхностном слое увеличивается концентрация молекул растворенного вещества, уменьшая тем поверхностное натяжение раствора. Равновесие наступает тогда, когда число молекул растворенного вещества, втягиваемых из поверхностного слоя вглубь жидкости, будет равняться числу молекул, приходящих вследствие диффузии из глубинных слоен на поверхность. Поверхностный слой оказывается обедненным молекулами растворителя и обогащенным молекулами растворенного вещества. Это явление носит название адсорбции. Им объясняется устойчивость жидких пленок, пены и т.д.

Очень многие биологические соединения оказывают существенное влияние на поверхностное натяжение, то есть являются поверхностно-активными. Так нормальное функционирование легочных альвеол обеспечивается наличием в них специальных поверхностно-активных соединений-сурфактантов. Важную роль играют такие вещества в пищеварении. Например, способность желчи содействовать перевариванию жиров зависит не только от ее химического воздействия. Желчные кислоты по отношению к жирам являются ПАВ: снимая поверхностное натяжение капель жира они делают возможным раздробление их на значительно более мелкие; в результате поверхность соприкосновения ферментов с пищевыми веществами возрастает во много раз, и соответственно увеличивается скорость переваривания.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит также от температуры жидкости. Как видно из таблицы 1, с повышением температуры КПН уменьшится.

Следует заметить еще раз, что поверхностное натяжение - свойство любой границы раздела двух сред, а не только жидкости. У твердых тел его величина, как правило, значительно больше, чем у жидкостей. Например, при обработке металлов на токарном станке деталь в месте обработки смазывают маслом, при этом коэффициент поверхностного натяжения на границе раздела металл-масло меньше, чем на границе металл-воздух и энергия, требуемая на образование новой поверхности при срезании стружки, также меньше.

Измерение КПН водных растворов поверхностно-активных веществ служит наиболее чувствительным методом определения их концентрации в растворе. Методы измерения КПН подразделяются на статические (при неподвижных или медленно образующихся поверхностях раздела) и динамические (при движущихся и непрерывно обновляющихся поверхностях раздела). Динамические методы, основанные на применении измерений размеров колеблющихся струй и капель, практически не применяются из-за своей сложности. Используемый в данной работе метод относится к статическим.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ОТРЫВА ПЛАСТИНКИ

Сущность метода состоит в том, что измеряются силы, которые необходимо приложить, чтобы оторвать тонкую металлическую пластинку треугольной формы (пластинку Вильгельми) от поверхности жидкости.

Экспериментальная установка представляет собой торсионные весы, у которых на коромысла подвешена тонкая металлическая пластинка. Под пластинку (на штативе со столиком вертикального перемещения) помещается сосуд с испытуемой жидкостью. Величину силы отрыва пластинки от поверхности жидкости можно определить непосредственно при помощи торсионных весов. Основным элементом торсионных весов является спиральная пружина П, которая закручивается под действием взвешиваемого предмета. На ось вращения 0-0 насажена муфта с маленьким коромыслом весов К, к которому подвешена чашечка для грузов и указатель равновесия УР. К муфте прикреплен один конец спиралькой пружины П. Муфта с коромыслом имеет возможность свободно вращаться вокруг оси 0-0. На той же оси жестко укреплен указатель веса У, к которому прикреплен конец спиральной пружины П. В отсутствии нагрузки указатель веса У должен быть установлен на нулевое деление шкалы весов, а указатель равновесия УР должен быть совмещен с чертой, отмечающей равновесие.

При действии груза равновесие нарушается, чашка весов опускается и, поворачивая при этом муфту, закручивает пружину П. Для восстановления равновесия весов нужно повернуть указатель веса У в сторону, противоположную повороту коромысла под действием груза. Величина требуемого поворота указателя У равна углу закручивания спиральной пружины и пропорциональна закручивающему усилию, то есть пропорциональна весу тела. Перемещение указателя У отсчитывают по шкале Ш, градуированной в миллиграммах. Внешний вид торсионных весов изображен на рисунке, на котором изображена пластинка, подвешенная с целью определения .коэффициента поверх-ностного натяжения. Вес пластинки подобран так, что он равен весу снятой чашки весов. Здесь У - указатель веса, который можно переводить в различные участки шкалы при помощи рычага Р, К - конец коромысла с крючком для подвешивания чашки или пластинки Вильгелыш, Ш- шкала весов, А - арретир, закрепляющий коромысло весов, Т- тарировочная головка, позволяющая установить равновесие весов без нагрузки при положении указателя веса У на нулевом делении шкалы.

Если подвести сосуд под пластинку так, чтобы она нижним основанием касалась поверхности жидкости, то пластинка как бы прилипнет. Для отрыва пластинки от поверхности надо приложить силу Р. Отрыв происходит по периметру пластинки, длина которого равна:

l=2(l₁+l₂), (5)

где l₁ - длина основания пластинки, l₂ - толщина.

Тогда формула для расчета поверхностного натяжения принимает вид:

(6)

В момент отрыва пластинки сила поверхностного натяжения, которая уравновешивает часть силы натяжения привязанной к пластинке нити (ту часть, которая не обусловлена весом пластинки), направлена вертикально, так как вертикальна часть поверхности жидкости вблизи пластинки. Это ясно из рисунка, показывающего положение слоя жидкости вблизи основания пластинки в момент отрыва.

ИЗМЕРЕНИЕ И ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Измерить штангенциркулем длину основания треугольной пластинки и ее толщину.

2. Зажечь спиртовку и держа пластинку пинцетом, прокалить ее с целью обезжиривания, так как жир является поверхностно-активным (ПАВ), влияющим на величину коэффициента поверхностного натяжения.

3. Пластинку повесить на коромысло весов и поворотом рычага Р против часовой стрелки, определить вес пластинки Р в миллиграммах.

4. Поместить под пластинку сосуд на штативе с испытуемой жидкостью. Подводить постепенно жидкость к пластинке до тех пор, пока пластинка не коснется своим основанием поверхности жидкости.

5. После касания необходимо намного опустить сосуд с жидкостью, но при этом пластинка не должна отрываться от поверхности жидкости.

6. Повернуть рычаг Р весов против часовой стрелки до наступления момента отрыва пластинки от поверхности жидкости. В этот момент стрелка весов У покажет величину силы отрыва F.

Вращение рычага производить как можно медленнее, чтобы получить более точный результат.

Опыт производить 5 раз. Полученные результаты свести в таблицу 2.

Сила поверхностного натяжения рассчитывается по формуле F=F-Р₁

Среднее значение рассчитывается по формуле

,

Таблица 2

№ опыта	L1, м	L1, м	L1, м	Р1, Н	F, H	Fпн, Н	, Н/м		100%
1. 2. 3. 4. 5.
СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ							ср	ср	--

ЗАДАНИЕ 1. Определите коэффициент поверхностного натяжения дис-тиллированной воды при комнатной температуре.

ЗАДАНИЕ 2. По данным таблицы 1 построить график зависимости КПН воды от температуры.

Полученное среднее значение КПН дистиллированной воды изобразите точками рядом с графиком (температуру воды считать равной комнатной температуре).

Сделайте вывод.

ЗАДАНИЕ 3. Определите КПН воды с добавлением глюкозы (при комнатной температуре).

Заполните таблицу 2 для глюкозы.

Сделайте вывод.

ЗАДАНИЕ 4. Промойте чашку Петри и пластинку. Прокалите пластинку. Определите КПН дистиллированной воды с добавлением нескольких капель мыльного раствора (или порошка).

Заполните таблицу 2 для мыльного раствора.

Сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Как объясняется существование поверхностного натяжения жидкости?

2. Что такое сила поверхностного натяжения и как она направлена?

3. Дайте определение коэффициента поверхностного натяжения и укажите его единицы в СИ.

4. Как зависит КПН от температуры?

5. Для чего измеряют поверхностное натяжение жидкости в медицине?

6. Каковы особенности молекулярного строения жидкости?

7. Какие вы знаете методы определения КПН?

8. Какие жидкости назывался смачивающими и несмачивающими?

9. Что такое мениск?

10.Что такое краевой угол?

11.0т чего зависит дополнительное давление под сферической поверхностью жидкости в капилляре?

12.Что такое газовая эмболия?

13.Для каких целей могут использоваться торсионные весы?

14,Что такое капиллярные явления и каково их значение (примеры)?

15.Как влияют поверхностно-активные вещества на КПН?

Задачи

1. Под каким давлением находится воздух внутри пузырька радиусом 510^-3 мм, расположенного под поверхностью воды? Атмосферное давление Р_о=110⁵ Па. КПН воды 0,070 Н/м.

Ответ: 128 кПа

2. На сколько давление воздуха внутри мыльного пузыря больше атмосферного, если диаметр пузыря 5 мм.

Ответ: 64 Па

3. Найти КПН воды, если в капилляре диаметром 1 мм она поднимется на высоту 29,4 мм?

Ответ: 0,072 Н/м

4. Фитиль поднимает воду на высоту 80 мм. На какую высоту по тому фитилю поднимется спирт?

Ответ: 28,8 мм

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.М.Ливенцев “Курс физики”, 1974г., §53

2. Н.М.Ливенцев “Курс физики”, 1978г., ч.1, §13

3. А.Н. Ремизов “ Курс физики”, 1982 г. гл.14, §4,6