Рідина. Поверхневий натяг рідин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рідина. Поверхневий натяг рідин

Рідина - це такий стан речовини, в якій кінетична енергія хаотичного руху молекул приблизно дорівнює потенціальній енергії їх взаємодії.

Розглянемо довільну рідину і визначимо стан молекул на вільній поверхні і всередині рідини.

Всередині рідини молекулу з усіх боків симетрично оточують такі ж самі молекули і дія їх компенсується.

У молекули, яка знаходиться на поверхні рідини, оточення не симетричне - переважають дії молекул нижчих шарів (рідини). Взаємодія молекули рідини з молекулами повітря і пари над рідиною настільки мала, що нею можна знехтувати. Отже, усі молекули рідини, які містяться в поверхневому шарі, товщина якого дорівнює радіусу сфери молекулярної взаємодії (R = 10^-7 см), перебувають під дією певних результуючих сил молекулярних взаємодій, напрямлених всередину рідини. Чим вища молекула в поверхневому шарі, тим більша результуюча сила діє на неї. Ці сили створюють поверхневий молекулярний тиск на рідину.

Щоб перейти з середини рідини в поверхневий шар, молекули повинні виконати роботу проти результуючих сил молекулярних дій інших шарів молекул. Через те потенціальна енергія поверхневих молекул збільшується. Весь поверхневий шар має додаткову енергію, яка є складовою частиною внутрішньої енергії рідини.

Оскільки положенню рівноваги відповідає мінімум потенціальної енергії, то рідина прагне скоротити площу поверхневої плівки і приймає форму кулі, коли на неї не діють ніякі сили.

Сили, які зумовлюють таке скорочення поверхневої плівки рідини, називаються силами поверхневого натягу.

Сила поверхневого натягу рідини пропорційна довжині лінії, яка обмежує поверхню:

F_п = l.

Тут: F_п - сила поверхневого натягу, яка діє вздовж поверхні рідини по дотичній до неї і перпендикулярна до лінії, яка обмежує цю поверхню.

l - довжина лінії. що обмежує поверхню рідини.

- коефіцієнт поверхневого натягу.

Коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює силі поверхневого натягу, яка діє на одиницю довжини лінії контуру. Він вимірюється в Н/м. Якщо коефіцієнт поверхневого натягу визначати через роботу або енергію, то:

=

або = , тому що А = W_n. При такому визначенні Джм².

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини залежить від природи рідини, температури і наявності в рідині поверхнево-активних речовин (сіль, мило і таке інше). Наводимо значення для деяких рідин:

Вода - 0,072 Н/м.

Жовч - 0,048 Н/м.

Сеча - 0,066 Н/м.

Спирт - 0,022 Н/м.

Коефіцієнт поверхневого натягу біологічних рідин служить діагностичним показником. Наприклад, при появі в сечі жовчних кислот при захворюванні жовтухою сечі різко зменшується.

Явище змочування і незмочування рідиною твердого тіла є наслідком поверхневого натягу рідини.

Якщо сили притягання між молекулами рідини менші, ніж між молекулами рідини і твердого тіла, то рідина змочує тверде тіло. Наприклад, спирт, сеча, вода змочують скло і не змочують жирові плівки.

Якщо сили притягання між молекулами рідини більші за сили притягання між молекулами твердого тіла і рідини, то рідина не змочує тверде тіло. Поняття змочування і незмочування відноситься і до різних незмішуваних рідин. Наприклад, розтікання нафти по поверхні води відбувається внаслідок змочування води нафтою.

Капіляри - це трубочки, діаметр яких менший одного міліметра. До капілярів людського організму відносяться ті кровоносні судини, діаметр яких змінюється в межах 0,5 - 0,01 мм.

В капілярах внаслідок змочування і незмочування їх стінок рідиною відбувається явище викривлення поверхні рідини, тобто утворюється меніск. При змочуванні меніск рідини вгнутий (мал.3а), а при незмочуванні - опуклий (мал.3б).

Викривлена поверхня рідини - меніск - спричинює появу додаткового тиску р на рідину поряд з атмосферним. Величина додаткового тиску визначається за формулою Лапласа:

р = .

Сила додаткового тиску під вгнутим меніском напрямлена від рідини до центру сферичної поверхні, тобто має знак “-“. Сила додаткового тиску під опуклим меніском напрямлена всередину рідини, додається до атмосферного і має знак “+”.

Додатковий тиск піднімає або опускає рідину в капілярах в порівнянні з рівнем у широкій посудині. Це явище називають капілярністю.

В природі явище капілярності відіграє як корисну, так і шкідливу роль. Живлення рослин, дерев водою з ґрунту і розчиненими в ній солями відбувається за рахунок повітряних проміжків в ґрунті, пор в деревині і рослині, які відіграють роль капілярів. Зрихлена земля має мало пор і втримує вологу, а втоптана земля випаровує і втрачає вологу через капілярність. На явищі капілярності заснована дія різних перев'язочних матеріалів, бинтів, вати, серветок, фільтруваного паперу, рушників і таке інше.

Додатковий тиск, обумовлений появою меніску, пояснює газову емболію.

Газова емболія - це явище попадання бульбашки повітря в кровоносну судину малого діаметру і закупорка її, тобто повна зупинка руху крові по судині.

Розглянемо повітряну бульбашку в кровоносній судині для випадку, коли кров не рухається по судині і бульбашка нерухома.

Нехай діаметр бульбашки дорівнює діаметру судин. Тоді додаткові тиски по обидві сторони бульбашки рівні між собою. Меніски мають однакову кривизну. Але кров у судинах завжди рухається. Розглянемо як змінюється кривизна менісків і додатковий тиск у випадку рухомої рідини. Під дією сили тиску рідини поверхня лівої сторони бульбашки стає більш плоскою, кривизна зменшується, а радіус кривизни збільшується (r₁) Права сторона поверхні бульбашки під дією сили тиску рідини сильніше викривлюється, кривизна зростає, радіус кривизни зменшується. Тоді з формули Лапласа витікає, що р₁р₂, тому що r₁r₂, а)._{1 2}. Причому сила додаткового тиску напрямлена проти руху крові в судині. Отже, у кровоносних судинах малого розміру (капілярах) ця сила може набути великого значення і стати більшою за силу тиску, яка зумовлена рухом крові. Тоді виникає закупорка судини і рух крові зупиниться. Особливо це частіше буває в тих судинах, де рух крові має малу швидкість, тобто в капілярах у порівнянні з артеріями, і в тих судинах, які мають розгалуження капілярів.

Швидкість руху крові в капілярах найменша і дорівнює 0,05-0,1 см/с у венулах 0,1- 1 см/с.

Бульбашки в кровоносну систему можуть попадати трьома шляхами:

При травмі судин.

При ін'єкції у вени.

При різкому зменшенні тиску.

Якщо водолаз буде швидко підніматися з морської глибини (приблизно 40-45 метрів), то азот, який розчинений у крові, виділяється і утворюються бульбашки великого розміру. Може наступити летальний кінець внаслідок газової емболії. Тому водолази і аквалангісти витримують режим декомпресії і піднімаються на поверхню моря поволі.

Для визначення коефіцієнта поверхневого натягу існують різні методи: відриву крапель, або метод сталагмометра; відриву бульбашок, або метод Ребіндера; відриву кільця; або капілярний метод.

Визначення коефіцієнта поверхневого натягу за допомогою приладу Ребіндера (див.методичну вказівку до лаб.роботи), здійснюється згідно робочої формули:

рідина поверхневий натяг капілярність

_{х 0}

де ₀ - коефіцієнт поверхневого натягу води при температурі t⁰С, яка береться з таблиць, визначається за формулою:

₀ = 0,07282 0,00015t⁰С - 18⁰С Джм²

r₁ r₂ - радіуси капілярів. Якщо r₁ = r₂, то робоча формула буде:

_{х 0} .

Тут: Н_х - різницяпоказників рівнів води в манометрі при появі бульбашок у досліджуваній рідині;

Н₀ - різниця показів рівнів води в манометрі при появі бульбашок в еталонній рідині, тобто воді, вуха.

Література

1. “ Деякі теоретичні аспекти медичної і біологічної фізики”, навч. посібник, Чернівці, Медінститут, 1995, § 9, ст. 52-57.

2. Ливенцев Н.М. «Курс физики», М.: «Высшая школа», 1974, §§ 53, 54.

Размещено на Allbest.ru