Явища та методи визначення поверхневого натягу

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

Факультет біотехнології і біотехніки

Кафедра екобіотехнології та біоенергетики

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

з дисципліни «Біофізика»

на тему

«Явища та методи визначення поверхневого натягу»

 

 

 

 

 

 

Виконав:

студент ІІ курсу,

групи БТ-21, ФБТ

Жигір А.Д.

Перевірила:

асистент Щурська К.О.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2013

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП..............................................................................................................................3

1. ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ, СИЛА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ............................8

2. ЗАЛЕЖНІСТЬ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ ВІД ДЕЯКИХ ФАКТОРІВ............13

3. МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ......................................15

3.1. Метод  Ребіндера.....................................................................................................17

3.2. Метод  капілярного підняття..................................................................................17

3.3. Метод  лежачої краплі.............................................................................................17

3.4. Метод  відриву кільця.............................................................................................17

4. ВИКОРИСТАННЯ  ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ ТА ЙОГО  ЗНАЧЕННЯ ДЛЯ ЖИВИХ СИСТЕМ.........................................................................................................17

ВИСНОВКИ...................................................................................................................19

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ...............................................................23

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Будь-яка хімічна однорідна речовина може бути за одних умов у газоподібному стані, а за інших - у рідкому. Водночас за своїми властивостями гази і рідини суттєво відрізняються. Рідини, як і гази, не мають певної форми і набувають форми тієї посудини, в якій знаходяться, але газ не має власного об'єму і займає будь-який наданий йому об'єм. Об'єм рідини - сталий. Газ відносно легко стискається, а рідини майже нестисливі. Можливість вільного переміщення молекул рідини одна відносно одної обумовлює їх плинність.

Найбільш характерною властивістю рідини, що відрізняє її від газу, є те, що на межі з газом рідина утворює вільну поверхню. Поверхневий шар рідини розтягнутий і між молекулами на поверхні діють сили притягання або сили поверхневого натягу [1].

Сьогодні для багатьох технологічних процесів необхідна повнота та точність знань про різні рідкі середовища та поверхневі явища, які виникають на межі поділу фаз. Фундаментальною властивістю межі поділу рідина – газ є поверхневий натяг, який визначає питому вільну поверхневу енергію рідини і є тим параметром, значення якого в багатьох випадках (газовидобування, хімічна промисловість, фармацевтична, харчова та інші галузі народного господарства) визначальне для оцінки якісних та кількісних параметрів рідини [1].

Особливо важливу роль відіграє поверхневий натяг у таких технологічних процесах, де використовуються розчини поверхнево-активних речовин (ПАР), наприклад, при інтенсифікації видобування газу, при виготовленні миючих засобів, при розробці і виробництві поверхнево-активних речовин різних функціональних призначень.

Збільшення концентрації ПАР змінює поверхневі та об’ємні властивості рідини до певної межі – критичної концентрації міцелоутворення, вище якої додавання ПАР здебільшого знижує якість розчинів та призводить до їх економічно невиправданої витрати, що підвищує собівартість того чи іншого процесу. Тому виникає необхідність підвищення вірогідності контролю поверхневого натягу для забезпечення високої якості розчинів в результаті встановлення критичної концентрації ПАР.

Поверхневий натяг відіграє важливу роль в житті рослин і тварин. В організмі людини він проявляється на слизових оболонках, в альвеолах і кровоносних судинах при наявності в них повітря (газова емболія). Важливе значення для діагностики має вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу жовчі, плазми крові, сечі та інших біорідин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПОВЕРХНЕВИЙ НАТЯГ, СИЛА ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ

 

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 [1].

Всередині рідини молекулу з усіх боків симетрично оточують такі ж самі молекули і дія їх компенсується . У молекулі, яка знаходиться на поверхні рідини, оточення не симетричне – переважають дії молекул нижчих шарів (рідини) (Рис. 1.1.). 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 [2].

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 [3].

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 [2,3]

Покладемо лезо безпечної бритви, трохи вкрите жиром, на поверхню води. Воно не тоне. Коли лезо «плаває» на воді, то можна помітити невелике прогинання поверхні води. Якщо лезо занурити в глиб води, воно піде на дно. Це означає, що властивості поверхні рідини відрізняються від властивостей решти рідини [3]

Отже молекули на поверхні рідини перебувають в інших умовах, ніж молекули всередині рідини [1].

Як вже було сказано, рівнодійна сил притягання, які діють на молекули поверхневого шару, не дорівнює нулю. Під дією цих сил молекули поверхневого шару втягуються всередину, кількість молекул на поверхні зменшується, площа скорочується.

Рис. 1.1. Дія сил притягання на молекули в рідині

 

Однак усі молекули не можуть втягнутися всередину. На поверхні залишається така кількість молекул, за якої площа поверхні виявляється мінімальною за даного об'єму рідини. Ось чому рідини під дією молекулярних сил набувають сферичної форми, за якої поверхня мінімальна [4].

Різницю між потенціальними енергіями молекул усередині рідини та молекул у її поверхневому шарі називають поверхневою енергією [4].

Відношення поверхневої енергії Un будь-якої частини поверхні рідини до площі S цієї поверхні називається коефіцієнтом поверхневого натягу:

                                                                                                               (1.1)                     

Скорочення поверхні рідини під впливом притягання її молекул всередину рідини відбувається так, ніби вздовж її поверхні діяла сила і викликала її скорочення. Цю силу називають силою поверхневого натягу. 
Поверхневий натяг має подвійний фізичний зміст - енергетичний (термодинамічний) і силовий (механічний). Енергетичне (термодинамічне) визначення: поверхневий натяг - це питома робота збільшення поверхні при її розтягуванні за умови сталості температури. Силове (механічне) визначення: поверхневий натяг - це сила, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню рідини [5].

Отже, сила поверхневого натягу — це сила, яка діє вздовж поверхні рідини, перпендикулярно до лінії, яка обмежує поверхню, і спрямована в бік її скорочення.Сила поверхневого натягу спрямована по дотичній до поверхні рідини, перпендикулярно до ділянки контура, на який вона діє і пропорційна довжині цієї ділянки [4,5].

Поверхневим натягом σ (або коефіцієнтом поверхневого натягу) називають величину, яка чисельно дорівнює відношенню сили ∆F, що діє на ділянку контуру поверхні рідини, до довжини ∆l цієї ділянки:

                                                                                                              (1.2)

Підставивши в (1.2) ∆F = 1Н, ∆l = 1м, дістанемо одиницю поверхневого натягу [σ] = 1 Н/м. Можливий також енергетичний перехід до тлумачення поверхневого натягу на межі двох фаз. Для збільшення поверхні рідини потрібно виконати роботу проти сил поверхневого натягу. Цю роботу при оборотному ізотермічному процесі можна виразити формулою:

                                                                                                     (1.3)

де σ - питома поверхнева енергія.

Обидві величини - коефіцієнт поверхневого натягу і питома поверхнева енергія - для тієї самої рідини чисельно дорівнюють одна одній і мають ту саму розмірність (Н/м, або Дж/м2) [1] .

Сила поверхневого натягу рідини пропорційна довжині лінії, яка обмежує поверхню: 
                                                                                                                   (1.4)         
Fп – 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. 
У 1983 році було доведено теоретично і підтверджено даними з довідників, що поняття поверхневого натягу рідини однозначно є частиною поняття внутрішньої енергії (хоч і специфічною: для симетричних молекул близьких за формою до кулястим). Наведені в цій журнальної статті формули дозволяють для деяких речовин теоретично розраховувати значення поверхневого натягу рідини за іншими фізико-хімічними властивостями, наприклад, по теплоті пароутворення або по внутрішній енергії [1,6].

У 1985 році аналогічний погляд на фізичну природу поверхневого натягу, як частини внутрішньої енергії, при вирішенні іншої фізичної завдання був опублікований В. Вайскопф [6].

Поверхневий натяг може бути на кордоні газоподібних, рідких і твердих тіл. Звичайно мається на увазі поверхневий натяг рідких тіл на кордоні "рідина - газ". У разі рідкої поверхні розділу поверхневий натяг правомірно також розглядати як силу, що діє на одиницю довжини контуру поверхні і прагне скоротити поверхню до мінімуму при заданих обсягах фаз [4,7].

На границі розділу рідини та твердого тіла або двух рідин можуть спостерігатися явища змочування або незмочування, які обумовлені силами взаємодії молекул цих речовин між собою, а також з молекулами оточуючих газів. Якщо помістити краплю рідини на поверхню твердого тіла, то кут між поверхнею твердого тіла та площиною, дотичною до поверхні рідини,  що граничить з тілом, називається краєвим кутом . Крайовий кут характеризує сили взаємодії молекул рідких, твердих і газоподібних речовин між собою, отже слугує мірою змочування [7].

Якщо , то рідина змочує поверхню. В такому випадку сили зщеплення між молекулами рідини та твердого тіла більші за сили зщеплення між молекулами твердого тіла та газу, і тому рідина розтікається по поверхні. Це явище називається змочуванням, а поверхня – ліофільною. При рідина незкінченно розтікається по поверхні твердого тіла (явище повного змочування). При має місце незмочування. Молекулам твердого тіла більш енергетично вигідно взаємодіяти з молекулами газу, аніж з молекулами рідини, в результаті чого рідина відштовхується від  поверхні твердого тіла, яка в цьому випадку є ліофобною. При має місце повне незмочування [3].

Рідина може змочувати тверде тіло і може не змочувати тверде тіло. Якщо сили взаємодії молекул твердого тіла і молекул рідини більші від сил взаємодії між молекулами рідини, то рідина змочує тверде тіло (ртуть-залізо). У противному разі рідина не змочує твердого тіла (ртуть-скло) [3,7].

Прямування викривленої поверхні рідини до скорочення приводить до виникнення тиску , додатково до зовнішнього. Величина надлишкового тиску визначається за формулою Лапласа:

                                                                                             (1.5)

де і – радіуси кривизни двох взаємно перпендикулярних перерізів поверхонь рідини. Для сферичної поверхні і отже:

                                                                                                             (1.6)

Результуюча сил поверхового натягу завжди направлена до центра кривизни. Тому у випадку увігнутої вверх поверхні надлишковий тиск негативний, а у випадку випуклої – позитивний [8].

Явище поверхового натягу обумовлює так званий капілярний ефект – зміна висоти рівня рідини у вузьких трубках (капілярах) або зазорах. Єфект змочування (незмочування) приводить до того, що поверхня рідини в капілярі, що опущений в посудину, має вогнуту (випуклу) форму [3].

Викривлену поверхню рідини у вузьких циліндричних трубах або біля стінок посудини називають меніском [3].

В першому випадку сили надлишкового тиску направлені вверх (до центру кривизни) і забезпечують підняття рідини в капілярі у порівнянні з рівнем рідини у посудини, а в другому – вниз, у зв’язку з чим рівень рідини в капілярі знижується [4].

У рівновазі надлишковий тиск урівноважується гідростатичним тиском :

                                                 ,                                                         (1.7)

де – густина рідини; h – різниця рівнів рідини в посудині та капілярі; – поверховий натяг на границі «рідина – газ»; R – радіус кривизни меніска.