Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания

студентам по теме лабораторного занятия

Поверхностное натяжение, мениски, капиллярность.

определение коэффициента поверхностного натяжения

по методу отрыва капель

Воронеж 2009

РАЗДЕЛ: МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.

ТЕМА: Поверхностное натяжение, мениски, капиллярность. Определение коэффициента поверхностного натяжения по методу отрыва капель.

ЦЕЛЬ: В ходе занятия студенты должны овладеть необходимыми теоретическими знаниями о механических свойствах жидкостей: поверхностное натяжение, мениск, капиллярные явления. Знать природу сил поверхностного натяжения, физический смысл коэффициента поверхностного натяжения, методы определения коэффициента поверхностного натяжения.

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ: Научиться определять коэффициент поверхностного натяжения жидкости; исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры, концентрации раствора; применять полученные знания для решения практических задач.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ: Жидкие среды составляют наибольшую часть биологического организма, поэтому механические свойства жидкости представляют особый интерес для медиков и биологов. Поверхностное натяжение биологических жидкостей, в некоторых случаях, может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления в моче желчных кислот. При диабете и некоторых других заболеваниях повышается содержание липазы в крови. О содержании липазы судят по изменению поверхностного натяжения раствора трибутилена при добавлении в него крови.

I. Самостоятельная работа студентов во внеурочное время.

Задание 0.

Повторить теоретический материал школьного курса физики – раздел "Молекулярная физика", тема "Свойства жидкости":

– строение и свойства жидкостей;

– силы взаимодействия молекул;

– смачивание и капиллярность.

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя рекомендованную литературу и настоящую методическую разработку, по следующей логической структуре учебного материала:

1. Природа сил поверхностного натяжения:

а) межмолекулярные взаимодействия в растворе и на его поверхности;

б) силы поверхностного слоя, внутреннее (молекулярное) давление жидкости;

в) силы определяющие поверхностное натяжение.

2. Коэффициент поверхностного натяжения:

а) формула расчета коэффициента поверхностного натяжения и ее физический смысл;

б) единицы измерения коэффициента поверхностного натяжения;

в) понятие поверхностного натяжения;

г) соотношение поверхностной энергии и коэффициента поверхностного натяжения.

3. Методы определения коэффициента поверхностного натяжения:

а) метод отрыва капель (вывод формулы);

б) метод отрыва кольца;

в) метод образования пузырьков (метод Ребиндера).

4. Поверхностно-активные вещества:

а) влияние поверхностно-активных веществ на поверхностное натяжение жидкости;

б) применение поверхностно-активных веществ и их роль в биологических процессах.

5. Смачивающие и несмачивающие жидкости:

а) условие, при котором наступает явление смачивания (или несмачивания);

б) величина краевого угла для смачивающей (или несмачивающей) жидкостей;

в) гидрофильная и гидрофобная поверхности твердого тела.

6. Мениски:

а) выпуклый (вогнутый) мениски, давление, возникающее при его образовании;

б) формула Лапласа.

7. Капиллярные свойства жидкости:

а) повышение (или понижение) уровня жидкости в узких трубках за счет дополнительного давления;

б) тела, обладающие капиллярными свойствами;

в) роль капиллярных явлений для жизни растений;

г) газовая эмболия (закупорка кровеносных сосудов).

Средства для самоподготовки студентов во внеурочное время

1. Учебная и методическая литература

а) основная

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 123-129.

– Ремизов А.Н. Курс физики / А.Н. Ремизов, А.Я. Потапенко. – М.: Дрофа, 2004. – С. 243-248.

– Ливенцев Н.М. Курс физики / Н.М. Ливенцев. – М.: Высшая школа, 1974. – С. 161-170.

– Лекционный материал по разделу "Гидро- и гемодинамика".

б) дополнительная

– Блохина М.Е. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике / М.Е. Блохина, И.А. Есаулова, Г.В. Мансурова. – М.: Дрофа, 2001. – С. 77-82.

– Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики для медицинских институтов / А.Н. Ремизов. – М.: Высш. шк., 1982. – С. 159-168.

– Ремизов А.Н. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике / А.Н. Ремизов. – М.: Высш. шк., 1987. – С. 63.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

Теоретический материал по теме занятия

Для жидкостей характерны свойства, связанные с ее молекулярным строением: относительная несжимаемость, внутреннее давление, текучесть, внутреннее трение (вязкость) и, так называемые, поверхностные явления – поверхностное натяжение, смачиваемость, капиллярность.

Поверхностное натяжение образуется на свободной поверхности жидкости, т.е. на границе с газообразной средой (а также с другой несмачивающей жидкостью или с несмачиваемым твердым телом). Это связано с тем, что на молекулу А, находящуюся на свободной поверхности (рис. 1а), силы притяжения со стороны окружающих молекул действуют значительно сильнее, чем со стороны паров жидкости или газа, с которыми жидкость граничит, и последними можно пренебречь. На молекулу В (в глубине жидкости) эти силы действуют равномерно со всех сторон и взаимно уравновешиваются. Каждую из сил, действующих на молекулу А, можно разложить на 2 составляющие, направленные одна вдоль (касательно) поверхности жидкости, другая – ей перпендикулярно (рис. 1б). Складываясь между собой, составляющие, перпендикулярные поверхности, дают силу (f_н), направленную в глубь массы жидкости. Силы всех молекул поверхностного слоя, складываясь, оказывают на жидкость давление. Это давление называется внутренним или молекулярным давлением жидкости.

Касательные составляющие образуют равные и противоположные силы (f_к), направленные вдоль поверхности. Силы f_к, взаимно уравновешиваясь по отношению к каждой молекуле, в тоже время связывают их между собой дополнительными силами притяжения, подобно тому, как это имеет место в растянутой пленке. Суммарное действие этих сил называют поверхностным натяжением жидкости.

Поверхностное натяжение характеризуют силой F_п, приложенной к контуру, ограничивающему поверхность жидкости. Эта сила в каждой точке контура направлена касательно к поверхности жидкости и перпендикулярно к линии ее контура так, что стремится сократить свободную поверхность жидкости (рис. 2). Сила поверхностного натяжения F_п для смачивающих жидкостей уравновешивается равной ей по величине и противоположной по направлению силой сцепления F_п' молекул жидкости и вещества стенок сосуда, ограничивающих свободную поверхность жидкости.

а)	б)
Рис. 1. Явление поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение можно показать на опыте с мыльной пленкой (рис. 3). На проволочной рамке АBСD с легкоподвижной перекладиной (mn) образована пленка из мыльного раствора в воде. Пленка, сокращаясь, тянет перекладину вверх и, чтобы удержать ее на месте, к ней надо подвесить грузик q.

Сила его тяжести уравновешивает силу поверхностного натяжения двух слоев молекул (по обе стороны пленки), действующую на длине (l) перекладины.

Рис. 2. Силы действующие по контуру, ограничивающему поверхность жидкости	Рис. 3. Опыт с мыльной пленкой

Сила поверхностного натяжения, приходящаяся на единицу длины контура, называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения в системе СИ измеряется в ньютонах на метр (Н/м).

Для случая, представленного на рис. 3, можно написать, что , следовательно,.

При повышении температуры силы притяжения между молекулами уменьшаются, следовательно, и коэффициент поверхностного натяжения также уменьшается. Снижение поверхностного натяжения можно достичь введением в жидкость поверхностно-активных веществ, уменьшающих энергию поверхностного слоя.

Для того чтобы переместить молекулу из глубины жидкости в поверхностный слой и тем самым увеличить площадь поверхности жидкости, надо совершить работу против равнодействующей молекулярных сил (f_н), направленных в глубь жидкости. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение потенциальной энергии молекулы, подобно тому, как работа, совершаемая летящим вверх телом против сил земного притяжения, идет на увеличение потенциальной энергии тела. Следовательно, молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной энергией, и поверхностный слой в целом имеет дополнительную энергию, которая называется поверхностной энергией. Из-за наличия поверхностной энергии жидкость обнаруживает стремление к сокращению своей поверхности. Поскольку положение равновесия соответствует минимуму потенциальной энергии, жидкость, предоставленная самой себе, будет принимать форму с минимальной поверхностью, т.е. форму шара.

Исходя из выше сказанного, запишем соотношение между поверхностной энергией (W) и коэффициентом поверхностного натяжения

,

т. е. коэффициент поверхностного натяжения равняется поверхностной энергии (W), приходящейся на единицу площади (S) свободной поверхности жидкости. В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в системе СИ в Дж/м².