Явища зміни висоти рівня рідини в капілярах в порівнянні з рівнем рідини в широкому посудині називаються капілярними явищами (Рис.5). Якщо рідина змочує стінки капіляра, то утворюється увігнутий меніск радіуса r. молекулярне тиск під яким на # 916; р менше, ніж під плоскою поверхнею в широкому посудині, сполучених з капіляром, внаслідок чого рідина в капілярі виштовхується нагору доти, поки вагове тиск утворився стовпа рідини висотою h НЕ компенсує додатковий молекулярне тиск # 916; р:
де # 961; - щільність рідини, g - прискорення вільного падіння.
Якщо рідина не змочує капіляр, то утворюється опуклий меніск, молекулярне тиск під яким витісняє рідина нижче вихідного рівня на глибину h, що задовольняє умові (5).
Таким чином, в капілярі рідина піднімається (або опускається) на таку висоту h. при якій гідростатичний тиск стовпа рідини врівноважує надмірне молекулярне тиск, обумовлене кривизною меніска:
Якщо радіус кривизни меніска дорівнює R. то, підставляючи (5.3а) в (5.6), отримаємо:
Тут враховано зв'язок між радіусом капіляра r і радіусом кривизни меніска R = r / cos # 952 ;, де # 952; - крайовий кут.
З формули (5.7) видно, що чим тонше капіляр (r) і краще змочування (менше # 952; і, відповідно, большеcos # 952; ), Тим вище піднімається рідина по капіляри. При ідеальному змочуванні (# 952; = 0, cos # 952; = 1, R = r) висота підйому максимальна:
Змочувальна рідина добре проникає в дрібні пори тіла і утримується в них. Завдяки цьому явищу пористі речовини можуть утримувати значну кількість рідини навіть з парів повітря, що призводить до зволоження білизни, вати в сирих помещени-ях, ускладнює сушку гігроскопічних тел.
Капілярні явища досить поширені, ними зокрема, обумовлено підняття води в грунті, по кореневій системі рослин, рух біологічних рідин за системою дрібних судин і канальців і багато інших явищ.
Незмочувальна рідина «виштовхується» з капіляра і не може глибоко проникнути в капіляри і пори твердого тіла.
Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом Ребіндера (метод визначення максимального тиску в бульбашці).
Досліджувана рідина поміщається в пробірку 1 (див. Рис.6), в яку потім вертикально опускається капілярна трубка 2, що проходить крізь пробку, щільно закриває пробірку. Вузький кінець капілярної трубки стосується меніска досліджуваної рідини (або заглиблений в неї не більше, ніж на 0,5 мм), а інший сполучається з атмосферою.
У скляній посудині 3 з краном 4 знаходиться вода. Посудина закритий щільно приганяє пробкою, причому тиск над поверхнею води p1 таке ж, як над поверхнею досліджуваної рідини і в лівому плечі U-подібного манометра 5.
При відкритому крані 4 з посудини 3 починає витікати вода. Обсяг води в посудині 3 зменшується, а значить, обсяг повітря над водою в посудині збільшується. Температура повітря залишається незмінною, маса повітря теж не змінюється, з чого випливає, що виконується закон Бойля і Маріотта: для газу однакової маси при постійній температурі добуток тиску на об'єм постійної, тобто pV = const або p1 V1 = р2 V2. При збільшенні об'єму повітря над водою в посудині 3 тиск p1 знижується, а значить, воно знизиться і над досліджуваної рідиною, і в лівому стовпчику манометра.
При деякому тиску р1 над поверхнею досліджуваної рідини з кінця капілярної трубки 2 під дією різниці атмосферного тиску РАТМ і тиску р1 видавлюється в рідину повітряний пухирець. Ця різниця тисків # 916; р = РАТМ - p1 вимірюється манометром і дорівнює # 961; gh. де # 961; - щільність рідини, залитої в манометр, h - різниця рівнів цієї рідини в лівому і правому стовпчику U-образної трубки манометра.
Тиск, обумовлене силами поверхневого натягу і прагне «схлопнуться» бульбашка, визначається формулою Лапласа (3).
У момент відриву бульбашки ці тиску рівні і для еталонної і рідини, коефіцієнт поверхневого натягу # 963; 0 якої відомий, можемо записати:
Аналогічну формулу можемо записати і для досліджуваної рідини:
Тут h0 і h1 - максимальна різниця рівнів рідини в лівому і правому колінах U-подібного манометра в момент відриву бульбашки в пробірці з еталонною і досліджуваної рідиною відповідно.
Розділивши рівняння (9) на (8), отримаємо:. Звідси отримаємо формулу для визначення поверхневого натягу досліджуваної рідини:
Порядок виконання роботи:
1. Налити досить (близько 2/3 об'єму) води в посудину 3 при закритому крані 4 і щільно закрити посудину пробкою.
2. Налити в пробірку 1 одну з рідин (еталонну або досліджувану) так, щоб опускається в пробірку капілярна трубка 2, що проходить крізь щільно зачинені пробку, своїм вузьким кінцем була опущена нижче поверхні (меніска) досліджуваної рідини не більше ніж на 0,5 1,0 мм.
3. Відкрити кран 4 судини 3, щоб вода повільно випливала краплями або дуже тонкою цівкою. При цьому різниця рівнів рідини в лівому і правому колінах U-образної трубки манометра буде збільшуватися, показуючи різницю тисків, яка прагне видути з капіляра бульбашка повітря.
4. У момент відриву бульбашки різницю рівнів h рідини в лівому і правому стовпчику U-образної трубки манометра буде максимальна. Її слід зафіксувати і записати в табл. 1 для відповідної рідини.
5. Повторити визначення h для кожної з досліджуваних рідин по три рази і занести вимірювання в таблицю. Стежити за тим, щоб води в посудині 3 було досить (не менше 1/3 об'єму), і підливати її в міру витікання, не забуваючи щільно закривати потім посудину пробкою (інакше пухирці виділяти не будуть).
Таблиця 1. Результати вимірювань.
6. Знайти середнє арифметичне hсред різниці висот для кожної з рідин.
7. Розрахувати коефіцієнти поверхневого натягу рожевої і блакитний рідини (відповідно # 963; троянд і # 963; гол) за формулою (10) і занести їх в таблицю.
8. Порівняти отримані значення # 963; троянд і # 963; гол з коефіцієнтами поверхневого натягу води і спирту (# 963; спирту = 22 мН / м = 22 · 10 -3 Н / м при +20 ºС) і зробити висновок про те, який з спиртових розчинів (рожевий або блакитний) більше розбавлений водою.
9. Розрахувати випадкову помилку непрямого вимірювання для обох кольорових розчинів, користуючись знаннями, отриманими з розділу «Теорія помилок».
1. Чим обумовлено виникнення потенційної енергії поверхневого шару рідини? Від чого залежить ця енергія?
2. Який фізичний зміст коефіцієнта поверхневого натягу, від чого він залежить, яка його розмірність?
3. Чому рівні і як спрямовані сили поверхневого натягу? Яким чином проявляються ці сили і як їх можна виміряти?
4. Чим викликано молекулярне тиск поверхневого шару на рідину?
5. Яке додаткове тиск під вигнутою поверхнею рідини? Як його розрахувати?
6. Чим обумовлені явища змочування і не змочування? Що таке крайової кут, від чого залежить його величина?
7. Чим обумовлені капілярні явища і як вони проявляються? Як розрахувати висоту підйому (опускання) рідини в капілярних трубках?
8. У чому сутність газової емболії і які умови її виникнення?
9. Яка роль поверхневого натягу сурфактанту легень в процесі дихання?
10. Опишіть метод Ребіндера і отримаєте розрахункову формулу для визначення коефіцієнта поверхневого натягу цим методом.
11.Охарактерізуйте інші відомі Вам методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідин.
1. Додаткове тиск Лапласа, обумовлене поверхневий натяг води при 20 0 С дорівнює 96,9 кПа. Знайти діаметр сферичної краплі туману якщо # 963; 20 = 72,7 мН / м.
2. При визначенні коефіцієнта поверхневого натягу методом відриву крапель було визначено, що при температурі 10 0 С (# 963; 10 = 71,78 мН / м) перетяжка при відриві краплі дистильованої води має діаметр 6,1 мм. Визначити масу краплі.
3. Якщо в повністю змочують капілярі діаметром 2,8 мм, зануреному у воду вертикально, вода піднялася на висоту 1 см, то коефіцієнт поверхневого натягу води буде дорівнює ... мН / м. (G = 9,8 м / с 2. щільність води дорівнює 10 3 кг / м 3).
Лабораторна робота № 12. Визначення в'язкості
рідини віскозиметром Оствальда.
Мета роботи: Вивчити закони перебігу в'язкої рідини. Навчитися визна лять в'язкість рідини за допомогою капілярного віскозиметра Оствальда.
Відомо, що між молекулами реальної рідини існують сил взаємодії. При перебігу жідкостін алічіеетіх сил проявляється каквнутреннее тертя або в'язкість рідини і призводить до того, що її різні шари рухаються з різними швидкостями.
На рис.1 представлений випадок, коли швидкість верхнього шару рідини максимальна, а для нижнього - мінімальна (наприклад, протягом води в річці). Сили внутрішнього тертя спрямовані по каса-котельної до поверхні шарів.
Таким чином, в в'язкої рідини швидкості рухомих шарів змінюються в напрямку ОХ, перпендикулярному поверхні рухомих шарів рідини. Кількісно це зміна швидкості руху-ня шарів рідини характе-ризуется градієнтом скорос-тіdv / dx. званим також швидкістю зсуву. Чим вище швидкість зсуву, тим більше і сила тертя між шарами рідини, що рухається. Сила Fтр внутрішнього тертя пропорційна також площі дотику S шарів рідини, що відображено у формулі Ньютона для сили внутрішнього тертя:
Коефіцієнт h залежить від властивостей рідини і температури і називаються ється коефіцієнтом внутрішнього тертя або в'язкістю (дінамічес-койвязко стю) рідини. З ростом температури в'язкість рідин зазвичай зменшується.
Одиницею в'язкості в Міжнародній системі одиниць є 1 Па · с (паскаль-секунда). Позасистемна одиниця в'язкості - 1 пуаз (П) = 0,1 Па · с.
Якщо в'язкість рідини h не залежить від граду-та швидкості, то такі рідини називають ньютоновскими. До них відно-сятся, як правило, однорідні рідини (вода, чисті розчинники та ін.). Якщо ж в'язкість залежить від гра-діента швидкості, то рідини називають неньютоновскими. Ними є зазвичай неоднорідні за складом рідини, наприклад, суспензії, суспензії і т.п. Тіпічнойненьютоновской рідиною являетсякровь. так як вона представля-ет собою суспензію формених елементів (еритроцитів, лейкоцитів і ін.) в плазмі. Тому в'язкість крові в різних ділянках судинної системи неоднакова через різних значень градієнтів швидкості, ре-Алізе в рухається крові.
В'язкість води при температурі 20 ° С становить 1МПа × c або 1сП (сантипуаз), а середня в'язкість крові в нормі - 4-5 мПа × с. При різних патологіях значення в'язкості крові може змінюватися від 1,7 до 22,9 мПа × с. Ставлення в'язкості крові до в'язкості води називаютотносі-котельної в'язкістю крові.
На величину в'язкості крові в жи-вом організмі впливають температура, гематокрит, градієнт швидкості крові (докладніше див. [1]).
Перебіг рідини характеризується лініями струму. Це лінії, ка-сательние до яких збігаються з напрямом вектора швидкості годину-тиц рідини в даній точці. Якщо лінії струму рідини безперервні, то такий перебіг називається ламінарним. а якщо виникають завихрення, швидкість частинок рідини хаотично змінюється, лінії струму зазнають розриви, то рух рідини називається турбулентним.
Характер руху рідини - ламінарний або турбулентний - за-вісітот щільності рідини r. її в'язкості h. швидкості течії v. діаметра труби d. по якій тече рідина. Існує безрозмірний параметр, званий числом Рейнольдса (Re), який дозволяє визначити характер перебігу:
Якщо число Рейнольдса не перевищує деякого критичного значення Reкр. то протягом рідини ламінарний. Якщо ж Re> Reкр. то протягом стає тур-булентним. Для гладких циліндричних труб Reкр = 2300. Для крові в різних ділянках судинного русла критичне число Рейнольдса може приймати значення 900 ÷ 1600.