Литература:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 7, с. 123—126.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.2. с. 41-47.

3. М.Е. Блохина, И. А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 77—83.

Теоретические предпосылки работы

Из-за различия в межмолекулярном взаимодействии на поверхности и внутри жидкости образуется поверхностный слой.

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности слоя перпендикулярно отрезку контура, ограничивающего эту поверхность, и стремится к сокращению этой поверхности. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости σ численно равен равнодействующей сил поверхностного натяжения F, действующих на единицу длины контура l, ограничивающего поверхность.

σ = F/l [σ] = H/м

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить как величину, численно равную отношению работы, затраченной на создание поверхностного слоя к площади этой поверхности.

σ = A/S [σ] = Дж/м²

С ростом температуры взаимодействие молекул жидкости несколько ослабляется, т. к. при увеличении кинетической энергии молекул среднее расстояние между ними возрастает. Поэтому с увеличением температуры величина σ уменьшается.

Кроме температуры на величину поверхностного натяжения жидкости существенно влияют растворенные в жидкости, даже в малых количествах, примеси.

Вещества, уменьшающие коэффициент поверхностного натяжения, называются поверхностно активными (спирты, мыла, сода, порошки). Поверхностно активные вещества, растворенные в жидкости, могут концентрироваться на границе раздела и покрывать тончайшей мономолекулярной пленкой поверхность твердого тела. Это явление называют адсорбцией на поверхности твердого тела. В зависимости от свойств абсорбировавшихся на поверхности тела молекул его смачиваемость меняется (как в сторону уменьшения, так и увеличения).

Свойство адсорбции используется при приеме некоторых лекарственных препаратов (активированный уголь).

Особые свойства поверхностного слоя и наличие в нем сил поверхностного натяжения обуславливают целый ряд своеобразных явлений. Если жидкость находится в сосуде, то кроме свободной поверхности, существует еще граница раздела между жидкостью и твердым телом. Если молекулы жидкости сильнее взаимодействуют с молекулами твердого тела, чем с молекулами той же жидкости, то жидкость смачивает твердое тело. Наблюдается явление смачивания (вода - стекло). Если взаимодействие между молекулами самой жидкости больше сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела, то наблюдается явление несмачивания (ртуть — стекло).

Угол, образованный твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости, называется краевым углом (рис.1).

θ > 90° – несмачивание θ < 90° - смачивание

Рис. 1.

Особыми оказываются условия равновесия на линии раздела «жидкость- газ - твердое тело» в тонких пленках и в узких сосудах-капиллярах. Наблюдающиеся в этих случаях явления называют капиллярными.

За счет проявления сил поверхностного натяжения наблюдается стремление к увеличению толщины пленки, что выражается в появлении добавочного давлений в ней.

Очевидна роль капиллярного кровоснабжения для биологических тел. Это важный фактор для процессов обмена; он нарушается с изменениями диаметра капилляров.

Капиллярные эффекты проявляются благодаря действию сил поверхностного натяжения, которые создают давление под искривленной поверхностью внутри жидкости, отличающееся на величину Δр:

Δр = ±2σ/R

от внешнего давления над поверхностью жидкости, где R - радиус сферической поверхности жидкости в капилляре. В случае вогнутой поверхности жидкости радиусом R,

Δр = -2 σ /R

т. е. давление внутри жидкости под вогнутой поверхностью меньше, чем в газе на величину Δр (давление Лапласа). Давление Лапласа является причиной закупорки сосудов, по которым движется кровь, если в сосуд попадает воздушный пузырек (газовая эмболия). Газ может попасть в кровеносную систему при травме сосудов, внутривенных вливаниях, при резком уменьшении давления.

Наиболее простым способом определения коэффициента поверхностного натяжения является метод отрыва капель. При медленном истечении жидкости из отверстия или из вертикальной трубки образуется капля (рис. 2а). Предполагается, что в момент отрыва капли сила поверхностного натяжения F_п равна силе тяжести mg, т.е.

2πrσ= ρVg, (1)

где 2πr – периметр шейки капли момент отрыва;

σ – коэффициент поверхностного натяжения;

ρ – плотность жидкости;

V – объем капли.

Измерить радиус шейки отрывающейся капли определить трудно, поэтому, используя метод отрыва капли, прибегают к сравнительному способу, согласно которому сравнивают поверхностные натяжения исследуемых жидкостей с поверхностным натяжением воды, для которой

σ =0,072 Н/м принимается известной величиной.

Прибор для определения коэффициента поверхностного натяжения методом сравнения называется сталагмометром. Он представляет собой стеклянный капилляр с расширением А в середине и с узким калиброванным канальцем К (рис 2б), из которого вытекает сначала одна жидкость, а затем равный объем другой жидкости.

а) б)

Рис. 2.

Методом отрыва капли определяют в диагностических целях поверхностное натяжение биологических жидкостей: спинномозговой, желчи и др.

Если известно поверхностное натяжение σ₀ стандартного раствора, например, воды, то уравнение (1) можно записать:

Взяв одинаковые объемы V₁ воды и исследуемой жидкости, и подсчитав количество капель в этих объемах, можно вычислить объем одной капли:

Подставив эти выражения соответственно в уравнения (1) и (2), получим расчетную формулу для метода сравнения:

где σ – измеряемый коэффициент поверхностного натяжения исследуемой жидкости;

σ_о - коэффициент поверхностного натяжения воды, который определяется из таблиц при температуре опыта;

ρ_о – плотность воды;

ρ- плотность исследуемой жидкости;

n_о – число капель воды в данном объеме воды (V₁);

n – число капель исследуемой жидкости в том же объеме.