СҰйыҚтыҢ беттік керілу коэффициентін аныҚтау

 

ҚАЖЕТТІ ҚҰРАЛ -ЖАБДЫҚТАР: зерттелінетін сұйықтар құйылған ыдыстар, капилляр түтік.

 

2.7.1 ҚЫСҚАША ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ

 

Сұйықтың бетінде орналасқан молекулаларға жан-жағындағы және төменгі қабаттағы молекулалар тарапынан әсер етуінен сұйықта беттік керілу күші пайда болады. Бұл беттік керілу күші әсерінен сұйықта беттік қабат пайда болады. Сұйық бетін екіге бөлетін кез келген контур бөлігінде беттік керілу күші сол контурға перпендикуляр және сұйық бетіне жанама бойымен бағытталған. беттік керілу күшінің, сол күш әсер етіп тұрған контурдың бірлік ұзындығына қатынасы беттік керілу коэффициенті деп аталады.

Беттік керілуді анықтау амалдары статикалық және динамикалық болып екіге бөлінеді. Статикалық әдісте беттік керілу сұйық бетінде тепе-теңдік күйде тұрған бет арқылы анықталады. Динамикалық әдістер беттік қабаттың бұзылуымен байланысты. Ертінділердің (әсіресе полимерлердің және ПАВ) беттік керілуін өлшеу кезінде статикалық әдістерді қолдану керек. Сұйық бетінің тепе-теңдік күйі бірнеше сағат өткенде ғана болуы мүмкін (мысалы, тұтқырлығы жоғары полимерлердің концентрленген ертінділерінде). Тепе-теңдік беттік керілуді және динамикалық беттік керілуді анықтау үшін динамикалық әдістер қолданылады. Мысалы, сабын ерітіндісін араластырғаннан кейін беттік керілу 58 Дж/м², біраз тұрғаннан кейін – 35 Дж/м². Яғни беттік керілу өзгеріп тұрады. Тепе-теңдік күй орнағанға дейін ол динамикалық күйде болады.

Капиллярда сұйықты көтеру әдісі

Әр бір молекула өзін қоршаған басқа да молекулалармен әсерлеседі. Тартылыс күші қашықтық алыстаған сайын азаяды, егер молекулалар арасындағы қашықтық (молекулалық әсерлесу радиусы) артық болса осы күштерді ескермеуге болады. Молекуланың өлшеміде осындай, сондықтан да әр қайсысы тек көршілес молекулалармен әсерлеседі. Егер молекула сұйық ішінде болса, онда оны басқа молекулалар барлық жағынан қоршап тұрады, сол себепті барлық тең әсерлі күштер нөлге тең.

Егер молекула сұйық бетінде болса, онда қорытынды күш нөлге тең болмайды, ол сұйық ішіне қарай бағытталады.

Егер сұйықтың пішіні тек осы күштермен ғана анықталатын болса, онда оның пішіні сфера түрінде болар еді (ол салмақсыздық кезінде болады, жаңбыр тамшысының пішіні де сфераға жақын түрде болады).

Беттік қабаттағы молекулаларға әсер ететін күштің горизонталь құраушысы сұйық бетіндегі молекуланың көршілес басқа молекулалармен әсерлесуінен пайда болады. Сұйық бетінің азаюына осы күштер ықпал етеді. Олар бетке жанама бойымен бағытталғандықтан беттік керілу күші деп аталады.

Жұқа қабатты сұйықты алайық, оның бетін біраз созайық. Мысалы, тікбұрышты рамка бойымен созылған сабын пленкасы болсын, рамканың бір жағы қозғалмалы, оның ұзындығы (2.7.1 б-сурет).

 

2.7.1-сурет

 

Беттік керілу күші осы пленканың бетін кішірейтіп сығуға ұмтылады. Сабын пленкасын созылған күйінде ұстап тұру үшін оған болатындай етіп жұмсау керек. Осы күш көп болған сайын рамканың ені де үлкен болады. Осыдан бөлу сызығының ұзындығы тең, өйткені пленканың екі бетін ескеру керек. Осылайша, немесе . пропорционалдық коэффициенті сұйықтың беттік керілу коэффициенті деп аталады. Оны сұйық пленкасының беттік контурының бірлік ұзындығына қатысты беттік керілу күшіне сан жағынан тең шама ретінде анықтауға болады. Бұл коэффициент сұйық бетінің қасиетін сипаттайды.

Беттік керілу коэффициенті өлшенеді. Қарастырылып отырған молекулалық қысым центрге қарай бағытталған (1 в-сурет), ол беттің қисықтығынан тәуелді болады және бетті түзетуге тырысады.

Сфера түріндегі бет үшін қосымша қысым Лаплас теңдеуімен есептеледі:

(2.7.1)

мұндағы сфералық беттің радиусы.

Егер кең ыдысқа капилляр түтікті түсірсек (түтік тесігі 1 мм аз болады), онда беттің қисықтығы көптеу болады және де түтіктің қабырғаларын қаншалықты сұйықпен дымқылдайтын болсақ соған орай қосымша қысым капиллярда сұйықты не көтереді, не түсіреді (2.7.2 а-сурет).

2.7.2-сурет.

Егер сұйық молекулаларының арасындағы әсерлесу күшінен сұйықтық молекулалары мен түтік молекулалары арасындағы әсерлесу күші үлкен болса, онда сұйықты дымқалдаушы деп атайды. Капиллярда мұндай сұйықтың беті ойыс формада болады (ойыс мениск), қосымша қысым жоғары бағытталады да, кең ыдыстағы деңгейден сұйықтық жоғары көтеріледі.

Егер сұйықтық молекулаларының арасындағы әсерлесу күші сұйық молекулалары мен түтік молекулалары арасындағы әсерлесу күшінен үлкен болса, онда сұйықтық дымқылдандырмайды, сұйықтық дөңес формада болады, оның капиллярдағы деңгейі кең ыдыстағыға қарағанда төмен болады.

Сұйықтық капилляр қабырғаларын дымқылдатсын делік (2.7.2б-сурет), онда сұйықтыққа жоғарыдан әсер етіп тұрған күш пен төменнен әсер етіп тұрған күш екеуі теңескенге дейін сұйықтық жоғары көтеріле береді. Бұл кезде қосымша қысым (2.7.1) Лаплас теңдеуімен анықталады.

Сұйықтыққа төмен қарай гидростатикалық қысым әсер етеді, яғни бірлік ауданға қатысты сұйықтың салмағы:

мұндағы сұйықтықтың тығыздығы; еркін түсу үдеуі; капиллярдағы сұйықтың биіктігі. Капиллярдағы сұйықтықтың қысымдары теңескен кезде

немесе

Бұдан

(2.7.2)

Осылайша, егер белгілі болса, онда берілген сұйықтықтың беттік керілу коэффициентін анықтауға болады.

 

2.7.2 ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ ЖӘНЕ ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУ ТӘРТІБІ

Сұйықтың беттік керілуін және капиллярлық эффектіні зерттеуге арналған қондырғы 2.7.3-суретте көрсетілген. 1- стол, оның үстінде зерттелетін сұйық құйылған 2 – ыдыс орнатылған. Стол бетіне 4-капиллярлы түтігі бар 3-тіреуіш бекітілген. Капиллярдың төменгі шеті сұйық бетімен жанасып тұрады, ал жоғарғы жағы саңылау бар 5-резинамен жалғасқан, ол зерттелетін сұйықпен капиллярды жууға арналған (медициналық пипетка тәрізді). Тіреуіште капилляр жазық пружинамен бекітілген, бірақ ол капиллярдың жоғары, төмен түсіп тұруына мүмкіндік береді.

2.7.3-сурет.Сұйықтың беттік керілуін зерттеуге арналған қондырғы

 

Капиллярда сұйықтықтың көтерілу биіктігін өлшеу үшін сызғыш пайдаланылады. Қондырғы универсал стендта жасалынған.

Оқытушының тапсырмасы бойынша зерттеу әдістерінің бір түрін орындап көріңіздер.

1 ТАПСЫРМА. Сұйықтың беттік керілу коэффициентін капиллярлар көмегімен анықтау

 

1. Ыдысқа суды құйып столға қоямыз. Оқытушының көрсетуімен

капиллярды су бетімен жанасқанға дейін түсіреміз. Капиллярды жоғарғы бөлігінде орналасқан резина көмегімен жуамыз. Түтікті жуып болған соң, капиллярда суды 5-6 см биіктікке көтереміз және жоғарғы шеттегі резинаны босатып судың еркін түсуіне мүмкіндік береміз. Капиллярда су деңгейі төмендеуін тоқтатқан кезде сызғыштың көмегімен су бетімен капиллярдағы судың деңгейіне дейінгі қашықтықты өлшейміз. Осыны 5 рет қайталап жасаймыз. тың орташа арифметикалық мәнін есептеу керек. Осы мәнді және де белгілі мәндерін (2.8.2) өрнекке қойып, судың беттік керілу коэффициентін табыңыздар.

2. Су үшін -ны есептегеннен кейін тәжірибені спиртпен

() немесе басқа сұйықтармен қайталаңыздар.

3. Әр сұйық үшін өлшеуді 5 реттен қайталаңыздар.

4. Өлшеу нәтижелерін 1, 2 кестелерге енгізіңіздер.

Су.

2.7. 1- кесте

№
Орта мән

 

Спирт. 2.7. 2-кесте

№
Орта мән

 

 

5.Беттік керілу коэффициентінің өлшеу кезіндегі қателігін келесі

түрде табу керек. Тәжірибеде өлшенген шама тек капиллярдағы сұйықтың көтерілу биіктігі болғандықтан, егер шамалары тұрақты болса, онда анықтаудағы қателіктерді -ті өлшеудегі қателіктер бойынша табуға болады.

2 – ТАПСЫРМА. Сұйықтықты көтеру биіктігі бойынша капиллярдың радиусын анықтау (1-ші тапсырманың нәтижелері өңделгеннен кейін орындалады)

 

Радиусы белгісіз екінші капиллярмен 1-ші тапсырмаға сәйкес орындалады.

-ның мәні 1-ші тапсырмадан алынады. Тәжірибе екі әртүрлі сұйықтықпен жүргізіледі. Өлшеу әр сұйықтық үшін 5 реттен қайталанылады.

1. .

2. Өлшеу нәтижелерін 1, 2-кестелерге енгізіңіз.

3. Оқытушының тапсырмасы бойынша нәтижелерді өңдеу.

4. есептеу өрнегін өздігімен қорыту.

5. Әртүрлі сұйық үшін алынған мәндерді өзара салыстыру.

6. Нәтижені түсіндіру.

2.7.3 БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

 

1. Молекулалық әсерлесу радиусы дегеніміз не?

2. Беттік керілу коэффициенті дегеніміз не?

3. Беттік керілу коэффициенті температураға қалай тәуелді?

4. Сіздің ойыңызша сұйықтың беттік керілу коэффициентін анықтау үшін жүгізілген тәжірибенің дәлдігін қалай жоғарлатуға болады?

5. Беттік керілу коэффициентін анықтайтын басқа да сіз білетін әдістерді көрсетіңіз.