Лабораторная работа № 5

«Определение поверхностного натяжения жидкостей методом измерения максимального давления в пузырке воздуха»

Цель работы: Используя измерительную установку определить коэффициент поверхностного натяжения. Рассмотреть сущность физического явления поверхностного натяжения.

.

Вопросы теории (исходный уровень):

Сущность физического явления поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения и методы его определения. Капиллярные явления, их значение в биологических системах. Газовая эмболия.

( самостоятельная подготовка)

Содержание занятия:

1. Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе.

2. Оформить отчет.

3. Защитить работу с оценкой.

4. Решить задачи.

Задачи.

1. Чему равен коэффициент поверхностного натяжения скипидара, если с помощью пипетки, диаметр кончика трубки которой 1,2 мм, его можно дозировать каплями по 0,01 г?

2. При переливании крови капельным методом необходимо было поддерживать частоту 40 капель в минуту. Какого диаметра должен быть кончик трубки капельницы, чтобы 250 мл крови перелить за 1,5 ч?

3. 3. В кровеносном сосуде образовался пузырек воздуха. В результате течения крови пузырек воздуха деформировался, образовав поверхности с радиусами кривизны 0,1 и 0,5 мм. Определить дополнительное давление в сосуде, возникающее в результате деформации пузырька воздуха.

4. В кровеносном сосуде образовалась цепочка из четырех пузырьков воздуха. Под действием давления крови р пузырьки деформировались, образовав поверхности с радиусами кривизны R, r₁ и r₂ (r₁ = r₂ = r; R > r). Определить дополнительное давление, обусловившее закупорку сосуда.

5. Определить плотность воздуха в пузырьке радиусом 5 10^-3 мм, находящемся в артерии, давление крови в которой равно 100 мм рт. ст., а температура 37⁰ С. Атмосферное давление считать нормальным.

Лабораторная работа № 5. « Определение поверхностного натяжения жидкостей методом измерения максимального давления в пузырке воздуха»

Приборы и принадлежности: 1) установка для определе­ния поверхностного натяжения; 2) термометр, проградуиро-ванный от 0 до 100° с ценой деления Г; 3) нагреватель на 2—3 Ом в U-образной стеклянной трубке; 4) трансформатор на 12 В; 5) сосуды объемом 50 см³ с дистиллированной во­дой, этиловым спиртом, 10%-ным раствором этилового спир­та в воде и четыреххлористым углеродом.

Силы, действующие на молекулы поверхностного слоя со стороны молекул, расположенных ниже этого слоя, значи­тельно превосходят силы, действующие на поверхностный слой со стороны молекул воздуха. Поэтому молекулы поверх­ностного слоя втягиваются внутрь жидкости. Для перемеще­ния молекул из жидкости на ее поверхность требуется совер­шить работу, т. е. поверхностный слой обладает потенциаль­ной энергией. Любое изменение поверхности требует затрат энергии, называемой поверхностной. Работа, требуемая для образования единицы такой поверхности, называется поверх­ностным натяжением а и измеряется в системе СИ в Дж/м². Поверхностный слой жидкости всегда ограничен линией воз­можного разрыва и находится под действием указанных сил в постоянном натяжении, стремящемся сократить поверх­ность. Сокращение поверхности возможно при условии, если силы поверхностного натяжения будут касательны к поверх­ности и перпендикулярны к линии возможного разрыва. От­сюда следует второе определение: коэффициент поверхност­ного натяжения а равен силе, рассчитанной на единицу дли­ны линии возможного разрыва. Единицы его измерения в си­стеме СИ — Н/м, в СГС — дин/см. Анализ размерностей по­казывает равнозначность этих единиц: Дж/м² = Н • м/м² = Н/м.

Поверхностное натяжение является важнейшей характе­ристикой поверхности раздела фаз. Под действием поверх­ностного натяжения небольшие количества жидких сред стре­мятся принять шарообразную форму, соответствующую наи­меньшей величине поверхности. Приближение к шаровой форме достигается тем больше, чем слабее силы тяжести. У малых капель сила поверхностного натяжения значительно превосходит силу тяжести. С поверхностным натяжением связаны диспергирование (измельчение, распыление) твердых тел и жидкостей на малые частицы или капли, коалесценция (слияние капель или пузырьков в эмульсиях, туманах, пе­нах), коагуляция (агрегирование частиц дисперсной фазы). Все эти явления связаны с образованием новых поверхностей, требующим затраты энергии.

Капиллярные явления также объясняются поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение определяет форму клеток и их частей. Изменение сил поверхностного натяже­ния влияет на фагоцитоз (захват клетками соседних частиц), пиноцитоз (захват клеточной поверхностью жидкости с со­держащимися в ней ществами). Поверхностное натяжение различных веществ колеблется от 10 до 2000 эрг/см², у кле­ток оно не превышает 100 эрг/см². С ростом температуры по­верхностное натяжение уменьшается и при критической тем­пературе обращается в нуль. Растворенные в жидкости ве­щества способны как понижать, так и несколько повышать поверхнЪстное натяжение. Растворенные вещества, понижа­ющие поверхностное натяжение жидкости, называют поверх­ностно-активными веществами (ПАВ).

Рис. 18

Существует несколько способов определения поверхностного натяжения жидкостей. В данной работе описан метод определения максимального давления в пузырьке, который состоит в следующем.

В исследуемую жидкость 9, находящуюся в сосуде 6 (рис. 18,а), вертикально опускается капиллярная трубка 5, узкий конец которой диаметром не больше 0,5 мм касается

мениска исследуемой жидкости. Другим концом эта трубка сообщается с атмосферным воздухом. При закрытом кране 2 и открытом кране 11 вытекающая из сосуда 3 вода понижает давление над исследуемой жидкостью. При некотором давле­нии р над поверхностью исследуемой жидкости из конца ка­пиллярной трубки 5 под действием разности атмосферного давления р_о и давления р выдавли­вается в жидкость воздушный пузы­рек 10.

Рис. 19

Разность давлений р_о-р измеряемая манометром, равна pgΔh, где ρ— плотность манометрической жидкости, Δh—разность ее уровней. Разность давлений уравновеши­вается давлением р₁, обусловленным поверхностным натяжением жидкос­ти и гидростатическим давлением р₂. Так как глубина погружения кончи­ка капилляра мала, то р₂~0. Тогда давление, возникающее под действи­ем сил поверхностного натяжения, равно разности давлений, измеряемой манометром 1:

(1)

Найдем давление p₁. Рассечем произвольно пузырек воздуха радиусом R горизонтальной плоскостью на две части (рис. 19). Граница раздела — окружность радиусом r: В результате действия сил поверхностного натяжения верхняя часть пузырька притягивается нижней. При этом на каждый элемент длины dl пограничной линии действует сила dF = adl, направленная по касательной к поверхности пузырька. Най­дем элементарную силу давления:

Интегрируя эту величину по всей длине пограничной линии, получим полную силу нормального давления:

(2)

Так как сечение выбрано произвольно, то расчет давления справедлив в любой точке пузырька. Из формулы (2) видно, что давление р₁ может быть большим в капиллярах малого радиуса. Из формул (1) и (2) следует, что

(3)

(4)

Если вместо исследуемой жидкости в сосуд б налить эта­лонную жидкость, например дистиллированную воду, коэффи­циент поверхностного натяжения а которой известен, то мож­но записать

Разделив уравнение (3) на (4) и решив его относительно а, получим выражение для определения поверхностного натя­жения исследуемой жидкости

В медицинской практике часто приходится определять по­верхностное натяжение на границе двух несмешивающихся жидкостей. Поверхностное натяжение в данном случае удоб­нее всего определять методом максимального давления в пузирьке: капиллярную трубку 5 погружают так, чтобы узкий конец ее касался поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей (рис. 18, б). В этом случае следует учитывать гид­ростатическое давление жидкости, расположенной сверху, ко­торое не будет равным нулю.