Література.

1. Чалий О.В., Агапов Б.М., Цехмістер Я.В. та інш. “Медична і біологічна фізика” - К.: Книг-плюс, 2005, с. 124-132, 184-190

2. Тиманюк В.А., Животова Е.Н. “Биофизика”- Х.: Изд-во НФАУ Золотые страницы, 2003, с.203-206.

3. Ремизов А.Н. “Курс фізики, електроніки, кібернетики”.-М, Высшая школа,1982, с.95-103

4. Хитун В.Н «Практикум по физике». М. «Высшая школа» 1972, с 62-67.

5. Эсаулова М.Э. и др. Руководство к лабораторным работам по физике. М. «Высшая школа», 1983, с. 31-37.

6. Методичні розробки.

7. Конспект лекцій.

Тема: Вивчення залежності коефіцієнта поверхневого натягу рідини від концентрації методом відриву крапель.

Мета роботи : Оволодіти методом визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини; вивчити залежність коефіцієнта поверхневого натягу від концентрації.

Обґрунтування необхідності вивчення теми .

Сили поверхневого натягу рідин відіграють важливу роль у фізичних процесах природи. Коефіцієнт поверхневого натягу біологічних рідин є діагностичним фактором. При хворобі Боткіна коефіцієнт поверхневого натягу сечі різко зменшується внаслідок виникнення в неї жовчних кислот. При діабеті та інших захворюваннях підвищується вміст ліпази у крові. Про вміст її у крові можна судити за зміною поверхневого натягу розчину трибутілена при додатку в нього крові.

Закупорка кровоносної судини пухирцем повітря (газова емболія) може мати дуже серйозні наслідки для організму, а також може бути роз’яснена на основі явищ поверхневого натягу.

Тому вивчення поверхневих явищ для майбутніх лікарів має велике значення.

Прилади і матеріали: бюретка, розчин відомої концентрації, розчини невідомої концентрації тієї ж речовини, стаканчики, подина с дистильованою водою.

Теоретичні відомості.

На кожну молекулу рідини діють сили тяжіння з боку оточуючих молекул, розташованих від неї на відстані, що не перевищує 1,5·10^-9м, тобто таких, що знаходяться всередині сфери радіусом R=1,5·10^-9(мал.3) Ця середина називається сферою молярної дії. Оскільки радіус самих молекул складає приблизно 5·10^-10м, то R=3 r.

Р

Мал. 3

озглянемо молекулу, розташовану у середині рідини (а і b) налитої у посудину (мал.4). З усіх боків її оточує в середньому однакова кількість молекул, тому результуюча сил притягування, діючих на молекулу, дорівнює 0. Інший стан з молекулою, що лежить на поверхні (b і г). Через те, що концентрація молекул в розташованому над рідиною газі мала порівняно з концентрацієї молекул у рідині (вважаємо, що температура газу значно нижче температури кипіння рідини), то результуюча сил, діючих на цю молекулу, виявляється не рівною нулю і направленою у середину рідини перпендикулярно її поверхні.

У такому ж положенні будуть знаходитись усі молекули, що розташовані на поверхневому шарі товщиною меншою радіуса сфери молекулярної дії. Таким чином, поверхневий мономолекулярний шар рідини товщиною 1,5·10^-9м буде чинити на всю рідину тиск, рівний сумі результуючих сил, діючих на всі молекули, що лежать в одному квадратному метрі цього шару.

Завдяки тому, що молекули рідини знаходяться близько одна від однієї, рідина є важко стискуваною: вступаючи у дію на дуже малих відстанях, сили відштовхування між молекулами перешкоджають стисканню рідини. Через те, що внутрішній тиск, направлений перпендикулярно поверхні рідини, об’єм рідини, що не зазнав дії зовнішніх сил (мал.3), повинен приймати форму кулі (мал.3), бо лише у цьому випадку сили внутрішнього тиску взаємно зрівноважуються.

Зовнішній стан поверхневого шару рідини називається поверхневим натягом, який обумовлений силами взаємодії між молекулами цього шару. Відділимо умовно у поверхневому шарі рідини круглий контур довжиною l(мал.4):

Молекули рідини, складаючи контур, будуть притягуватися молекулами, розташованими всередині контуру; сили притягання будуть дотичні до поверхні рідини і перпендикулярні контуру. Сума сил притягання, діючих на контур, що обмежує поверхню рідини, називається силою поверхневого натягу F. Ця сила пропорціональна числу молекул, прилягаючих до контуру, яка в свою чергу пропорціональна довжині контуру. Отже, F = l(1),- коефіцієнт пропорціональності, який називається коефіцієнтом поверхневого натягу.

Очевидно, що з такою же силою поверхневого натягу будуть діяти на наш контур і молекули, розташовані зовні його. Тому контур знаходиться у рівновазі. З формули =, коефіцієнт поверхневого натягу, діючий на одиницю довжини контуру, який обмежує поверхню рідини вимірюєтьсяв системі SI; в дин/см в системі СГС.

Поверхневий натяг залежить від температури. Поблизу від критичної температури його значення лінійно спадає зі зростанням температури. На поверхневий натяг великий вплив можуть чинити домішки, що в неї знаходяться. Наприклад, мило, розчинене у воді, зменшує її коефіцієнт поверхневого натягу з 0,075 до 0,045 . Речовина, послаблююча поверхневий натяг рідини, називається поверхнево-активною речовиною. У відношенні до води поверхнево-активними виявляються нафта, спирт, ефір, мило та багато інших рідких та твердих речовин.

З точки зору молекулярної теорії, вплив поверхнево-активних речовин пояснюється таким чином: сили притягання між молекулами рідини більші сили притягання, (сили між молекулами рідини і поверхнево-активними домішками). Тому розташовані у поверхневому шарі молекули рідини притягаються у середину рідини сильніше, ніж молекули домішків. У результаті, молекули рідини йдуть із поверхневого шару у середину рідини, а молекули поверхнево-активної речовини витискаються на поверхню.

Деякі речовини збільшують поверхневий натяг рідини у зв’язку з тим, що їх молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше, ніж молекули рідини між собою. Очевидно, що молекули таких домішок будуть утягнуті у середину рідини, а в поверхневому шарі залишуться переважно молекули рідини. У відношенні води прикладом такого роду домішок будуть цукор та сіль.

Поверхневий натяг біологічних рідин у деяких випадках може служити діагностичним показником. Так, наприклад, при захворюванні на жовтуху поверхневий натяг сечі різко зменшується внаслідок появи у сечі жовчних кислот. При діабеті та деяких інших захворюваннях підвищується вміст ліпази у крові. Про кількість ліпази свідчить зміна поверхневого натягу розчину трибутилена при добавленні до нього крові.

Існує багато методів визначення коефіцієнта поверхневого натягу. Один з них – метод відриву краплини.

Якщо рідина повільно витікає з нижнього кінця вузької вертикальної трубки, то утворюються краплини. При виході з трубки, розмір краплинки поступово зростає, але відривається тільки тоді, коли досягає цілком певного розміру. Це відбувається тому, що коли краплинка не досить велика, сили поверхневого натягу достатньо для того, щоб протидіяти вазі краплини та запобігти відриванню. Краплина відривається тоді, коли її вага стає рівною силі поверхневого натягу, яка її утримує, тобто P=F.Сили поверхневого натягу в мить розриву будуть направлені по дотичній до поверхні і перпендикулярно до контуру, по якому відбувається відрив краплини.

Якщо R – радіус шийки краплини, то сила поверхневого натягу буде дорівнювати:

F = 2πR. Вага краплини P = mg = ρVg, де ρ – щільність рідини; V – об’єм однієї краплини

2πR= ρV₁g;

.

Але виміряти радіус шийки краплини практично неможливо, тому використовують порівняльний метод. Якщо відомий поверхневий натяг стандартної рідини, наприклад, води, то можна записати:

,

де ρ₀– щільність стандартної рідини (дистильованої води); V₀– об’єм краплини стандартної рідини (дистильованої води).

Беремо однакові об’єми стандартної рідини V₀і досліджуваної рідини V₁;

V₀= V₁ = V.

Якщо перелічити кількість краплин у цих об’ємах, то можна розраховувати об’єм однієї краплини V₀=; V₁=,

де n₀ – кількість краплин стандартної речовини у даному об’ємі;

n – кількість краплин дослідної речовини у даному об’ємі.

Взявши відношення кмаємо:

(10) =>.

Устрієм для визначення коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву краплин є закріплена на вертикальному штахеті бюретка. Попереду вузької частини бюретки є краник, яким регулюють витікання рідини з бюретки.