Сұйықтардың беттік керілу коэффициентін тамшы әдісімен анықтау

Газдар және қатты заттармен салыстырғанда сұйық молекулаларының қозғалыстарында едәуір өзгешілік байқалады. Газ молекуламерінің ара қашықтықтары молекулалардың өздерінің өлшемдерінен анағұрлым артық және олардың жылулық қозғалысы ретсіз (хаосты) болады. Кристалдарда молекулалармен немесе атомдармен белгілі бір ретпен орналасатындықтан (кристалдық тор түзейтіндіктен) оларда алыс реттілік сақталады. Осының нәтижесінде олардың тығыздығы сұйықтармен газдарға қарағанда көп болады. Сұйық молекулалары бір-бірінен қашықтау орналасқандықтан, олар орындарын үнемі өзгерте алады немесе тепе-теңдік жағдайда тербеледі және тербеліс амплитудалары әртүрлі болады. Молекулалар өзара әсерлескенде, кейбір артып, тербеліс амплитудасын артырады. Осының нәтижесінде молекулалар басқа жерге секіріп, яғни басқа тепе-теңдік жағдайда тербеле бастайды. Температура артса тербеліс жиілігі және амплитудалары бірнеше есе артады.

Сұйықтардың қозғалыс ерекшілігі көптеген қасиеттерін молекулалардың өзара әсер күшіне байланысты. Ыдысқа құйылған сұйықтың беттік қабатына және ішкі бөлігінде орналасқан молекулалардың өзара әсер күштерінде өзгеше ерекшілік байқалынады. Ішкі бөлікте орналасқан А молекулаға (1-сурет) оны қоршаған көрші молекулалар барлық бағытта бірдей тартылыс күшпен әсер етеді.

Сұйықтың беттік қабатындағы В молекуланы көрші қабаттағы сұйық молекулалары тартатындықтан төмен қарай бағытталған қорытқы тартылыс күші әсер етеді. Сұйық бетінде орналасқан газ (ауа) бір, бірақ оларды тартылыс күштерінің шамасы аздау болғандықтан В молекулаға сұйықтың ішіне қарай бағытталған (сұйық бетіне перпендикуляр) F күш әсер етеді. Осы күштің әсерінен молекулалар сұйыққа батады. Жылулық қозғалыстың әсерінен кейбір молекулалар сұйықтың беттін қабатына қайта шығуы мүмкін. Сұйық ішіне тартылатын молекулалардың жылдамдығы көбірек болғандықтан, беттік қабаттағы сұйық молекулалар саны кемиді. Осының нәтижесінде динамикалық тепе-теңдік (сұйыққа енетін молекулалар ғана беттік қабатқа шығатын молекулалар санына тең болғанша болады) орындалғанша сұйықтың беті қысқара береді. Сұйыққа сырттан ешқандай күш әсер етпесе, сұйықтың беті (берілген көлемде ең аз мәнді қабылдауға тырысады. Бұл тек шар формалы денегелерге тән болғандықтан, сұйық ішкі күштің әсерінен шар формасын қабылдауға тырысады.

Бетті артыру үшін жұмыс істеу қажет болады. Бұл жұмыс молекулаларды ішкі бөліктен сұйықтың бетін S шамаға өзгерту үшін істелінетін жұмыс:

A = an  S (1)

мұндағы а – бар сұйықтың бар молекуласын беттік қабатқа шығаруға қажет жұмыс, n – беттік қабаттық 1м² молекулалар саны.  = a  n шамасы беттік керілу коэффициенті деп аталынады. (1) теңдеуден беттік керілу коэффициентін анықтасақ

Беттік керілу коэффициенті сұйық бетін бірлік ауданға (яғни 1 м²) артыруға қажет болатын жұмыс шамасына тең.

2-сурет
F беттік керілу күшіне қарсы істелінетін А жұмысты

A=FX (3)

мұндағы Х – сұйық қабатының өзгерісі. Жұмыстың шамасын (2) теңдеу бойынша анықтасақ:

A=S2ℓX (4)

мұндағы S = 2ℓX сұйық пленкасының екі жағындағы беттердің өзгерісі (екі саны сондықтан жазылады) (3) мен (4) теңдеулерді салыстырып, F күшті анықтасақ осыдан F =   2ℓ

мұндағы пленканың бір бетіне әсер ететін беттің керілу күшінің шамасы осыдан беттің керілу коэффициентінің екінші бір анықтамасын беруге болады, яғни сұйық беттің керілу күшіне тең шаманы беттік керілу коэффициенті деп атайды.

 - күшті сипаттайды екен, ол сұйық бетіне жүргізілген жанама бойынша бағытталады, сұйық бетін шектеп тұрған кез келген ұзындыққа перпендикуляр болады. Беттік керілу коэффициенті халықаралық жүйеде өлшенеді.

Беттік керілу коэффициентін тәжірибеден анықтау үшін тамшы әдісін пайдалануға болады. Ол үшін А және В бюреткаларға су мен глицерин құйайық (3 сурет). Бюреткалардағы К₁ және К₂ крандары жәйлап ашып, тамшылар пайда болатын жағдайда таңдау керек (тамшылар С₁ мен С₂ химиялық стаканға тамады). Алғашқы кезде тамшы көлемі біртіндеп өсіп барып, түтіктегі сұйық аралығында мойынша (шейка) пайда болады. Ол біртіндеп жіңішкеріп ДЕ дөңгелегі бойында К тамшы үзіледі. (4 сурет)

3-сурет 4-сурет

Р = 2R (1)

осыдан

(2)

Радиусы түтік ұшының радиусынан бір шама кіші болады және оны анықтау қиындау. Радиусты пайдаламбау әдісті қарастырайық. Айталық екі түрлі сұйықтардың бірдей V көлемді белгілеп; оларды тамшы түрінде ыдысқа тамызайық. Тамшылар сандарын n₁ мен n₂ белгілесек

n₁P₁ = ₁Vg; n₂P₂ = ₂Vp.

Бұл теңдеулерді басқа түрде жазсақ:

мұндағы ₁, ₁ және ₂, ₂ – бюреткаларға құйылған су ме.н сұйықтың глицериннің тығыздықтары мен беттік керілу коэффициенттері.

Өрнектерді сол жақтары бірдей болғандықтан

(3) (4)

Сонымен, су мен глицериннің ₁ мен ₂ тығыздықтарын және ₁ судың беттік керілу коэффициентін белгілі деп санаса, глицериннің ₂ беттік керілу коэффициентін анықтауға болады.