Поверхностное натяжение. Метод отрыва капель.

Молекулы, находящиеся в глубине жидкости, окружены молекулами жидкости со всех сторон и их действия на эти молекулы взаимно уравновешиваются. У молекул, находящихся в поверхностном слое жидкости, на границе с газообразной средой, слабое взаимодействие с молекулами пара или воздуха над жидкостью. Им можно пренебречь. Это придает поверхностному слою жидкости (толщиной, равной радиусу сферы молекулярного взаимодействия) специфические особенности. На каждую молекулу в поверхностном слое со стороны окружающих ее молекул жидкости действуют силы по двум направлениям: вдоль (по касательной) и перпендикулярно (нормально) к поверхности жидкости. Нормальные составляющие, складываясь между собой, приводят к возникновению силы, направленной перпендикулярно поверхностному слою, в глубь жидкости. Давление молекул поверхностного слоя на соседний, расположенный ниже, слой молекул жидкости получил название молекулярного давления. Силы молекулярного давления действуют только на молекулы самой жидкости и не действуют на тело, погруженное в жидкость. Касательные составляющие молекулярных сил направлены вдоль поверхностного слоя, они сближают молекулы поверхностного слоя, и поверхностный слой оказывается в состоянии напряжения. Они получили название сил поверхностного натяжения.

Это явление связано с тем, что на молекулу А, находящуюся на свободной поверхности (рис. 1), силы притяжения со стороны окружающих молекул жидкости действуют значительно сильнее, чем со стороны паров жидкости или газа, с которым жидкость граничит.

 

Если условно выбрать на поверхности жидкости отрезок длиной (рис. 2), то силы поверхностного натяжения можно изобразить стрелками перпендикулярными отрезку.

Поверхностным натяжением называется величина, измеряемая отношением силы поверхностного натяжение к длине отрезка, на который действует эта сила.

Поверхностное натяжение может быть определено так же отношением работы, затраченной на создание некоторой поверхности жидкости при постоянной температуре к площади этой поверхности.

.

Поверхностное натяжение биологических жидкостей в некоторых случаях может служить диагностическим фактором. Так, например, при заболевании желтухой поверхностное натяжение мочи резко уменьшается вследствие появления 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. Для определения поверхностного натяжения в медицинской практике пользуются методом отрыва капель. При медленном истечении жидкости из отверстия или из вертикальной трубки образуется капля.

В момент отрыва капли сила F =2πδr поверхностного натяжения равна силе тяжести Q=mg=ρυg капли (r - радиус шейки капли, - плотность жидкости, V - объем капли), 2πrδ= ρgυ. Отсюда

δ= ρVg/2π (l)

Измерить радиус шейки практически нельзя (это можно сделать только при фотографировании капли в момент отрыва), поэтому используя метод отрыва капель, прибегают к сравнительному способу. Если известно поверхностное натяжение стандартной жидкости, например воды, то формулу (1) можно записать.

δ₀=ρ₀ V₀ g /2π (2)

Взять одинаковые объемы воды и исследуемой жидкости V, и подсчитав количество капель в этих объемах можно вычислить объем одной капли.

V₀= V₁/n_{0 (воды),} V= V₁/n _{(исследуемой жидкости)}

Подставив эти выражения соответственно в формулу (1) и (2) и взяв их отношение, получим

δ/ δ₀= ρn₀/ ρ₀n (3) или δ= δ₀ ρn₀/ ρ₀n (4)

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы жидкости и от температуры (уменьшается при ее повышении), но не зависит от величины или формы поверхности. Единицы его измерения в СИ – Н/м, в системе СГС - дин/см.