Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости по счету капель

Цель работы: изучение свойств поверхностного слоя жидкости.

Теоретическое введение

По внешним признакам жидкость характеризуется текучестью (легким изменением формы), не сжимаемостью и наличием свободной поверхности. В жидкостях средние расстояния между молекулами значительно меньше, чем в газах, поэтому силы молекулярного взаимодействия играют существенную роль.

На каждую частицу жидкости действуют силы притяжения со стороны окружающих ее молекул, которые убывают с увеличением расстояния между ними и при становятся пренебрежимо малыми. Следовательно, каждая молекула жидкости взаимодействует только с соседними, центры которых лежат внутри сферы радиуса , называемой сферой молекулярного взаимодействия (рисунок 11.1).

Рис. 11.1

Рис. 11.2

Внутри жидкости каждую молекулу (1 на рисунке 11.2) со всех сторон окружает приблизительно одинаковое число частиц. Поэтому результирующая сил притяжения, действующих на нее со стороны других молекул равна нулю.

Молекулы поверхностного слоя (2) взаимодействуют с частицами жидкости и частицами находящегося над ней газа. Поскольку плотность газа меньше плотности жидкости, то число молекул в верхней части сферы молекулярного взаимодействия меньше, чем в нижней. Результирующая сила не равна нулю и направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. Поэтому слой поверхностных молекул оказывает на всю жидкость давление, называемое внутренним или молекулярным давлением..

Переход молекул из глубины жидкости на поверхность сопровождается работой против , что приводит к увеличению потенциальной энергии молекул поверхностного слоя. Средняя кинетическая энергия частиц, определяемая температурой, в случае равновесного состояния жидкости () одинакова и в поверхностном слое, и внутри объема жидкости.

Та часть потенциальной энергии, которая изотермически может быть обращена в работу, называется свободной энергией. Следовательно, поверхностный слой жидкости обладает избыточной свободной энергией, которая стремится к минимуму, следовательно, поверхность жидкости стремится к уменьшению. Так, при отсутствии внешних сил жидкость принимает форму шара, т.е. форму тела, которое при данном объеме имеет минимальную поверхность (например, в условиях невесомости).

Значит, все молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы в остальном объеме жидкости. Поскольку потенциальная энергия – энергия взаимодействия, то между молекулами поверхностного слоя проявляются силы притяжения, действующие вдоль поверхности. Они называются силами поверхностного натяжения, так как создают в поверхностном слое стремление сжать (сократить) поверхность. Толщина поверхностного слоя, в котором действует силовое поле, составляет величину порядка нескольких межмолекулярных расстояний, т.е. порядка .

На образование единицы площади поверхности жидкости требуется совершить определенную работу, которая служит мерой свободной энергии. Она определяет удельную поверхностную энергию (или коэффициент поверхностного натяжения ) – величину, равную отношению работы изотермического образования поверхности жидкости к площади этой поверхности , т.е.

. (11.1)

Рассмотрим такой опыт. Рамка затянута пленкой жидкости (рисунок 11.3), причем сторона пленки может свободно перемещаться. Начальное положение пленки _. При сокращении поверхности жидкости пленка перемещается на расстояние . Чтобы удержать ее в равновесии, надо приложить силу , равную силе поверхностного натяжения. За счет уменьшения свободной энергии будет совершена работа

. (11.2)

Предполагается, что опыт протекает в изотермических условиях; при этом (в отличие от упругой силы). Если длина стороны пленки равна , то изменение площади пленки (с учетом того, что жидкость на рамке имеет две поверхности) при ее сокращении составит

. (11.3)

Так как изменение свободной энергии поверхности численно равно работе молекулярных сил, то из формулы (11.1) запишем

Рис. 11.3

. (11.1а)

Сопоставляя это равенство с (14.2), получим

,

откуда

, (11.4)

т.е. коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины граничной линии на поверхности жидкости. В случае одной поверхности

. (11.4а)

Сила поверхностного натяжения направлена по нормали к любому элементу линии (контуру), ограничивающему поверхность жидкости, и касательна к поверхности жидкости.

Коэффициент зависит от химического состава жидкости и температуры. Одним из методов определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости является метод отсчета капель.