Основные теоретические сведения. Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности

Рис. 1. Взаимодействие молекул жидкости

Наиболее интересной особенностью жидкостей является наличие свободной поверхности. Жидкость, в отличие от газов, не заполняет весь объем сосуда, в который она налита. Между жидкостью и газом (или паром) образуется граница раздела, которая находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости. Молекулы в пограничном слое жидкости (рис. 1, в, г), в отличие от молекул в ее глубине (рис. 1, а, б), окружены другими молекулами той же жидкости не со всех сторон. Силы межмолекулярного взаимодействия, действующие на одну из молекул внутри жидкости со стороны соседних молекул, в среднем взаимно скомпенсированы. Любая молекула в пограничном слое притягивается молекулами, находящимися внутри жидкости (силами, действующими на данную молекулу жидкости со стороны молекул газа (или пара) можно пренебречь). В результате появляется некоторая равнодействующая сила (или ), направленная внутрь жидкости. Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного взаимодействия совершат положительную работу. Наоборот, чтобы переместить некоторое количество молекул из глубины жидкости на поверхность (т.е. увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить работу ΔA_внеш, пропорциональную изменению ΔS площади поверхности:

ΔA_внеш= σΔS. (1)

Коэффициент σ называется коэффициентом поверхностного натяжения(σ > 0). Таким образом, коэффициент поверхностного натяженияравен работе, необходимой для увеличения площади поверхности жидкости при постоянной температуре на единицу.

Единица измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в СИ: 1 Дж/м² (джоуль на метр квадратный).

Следовательно, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами внутри жидкости потенциальной энергией. Из механики известно, что равновесным состояниям системы соответствует минимальное значение ее потенциальной энергии. Отсюда следует, что свободная поверхность жидкости стремится сократить свою площадь. По этой причине свободная капля жидкости принимает шарообразную форму. Жидкость ведет себя так, как будто по касательной к ее поверхности действуют силы, сокращающие (стягивающие) эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Сила поверхностного натяжения пропорциональна числу молекул, прилегающих к контуру на поверхности жидкости, которое, в свою очередь, пропорционально длине контура:

(2)

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения (σ) может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность.

В этом случае единицей измерения коэффициента поверхностного натяжения в СИ является 1 Н/м (ньютон на метр). Легко показать равенство единиц измерения 1 Н/м = 1 Дж/м².

Рис. 2. Краевые углы

Вблизи границы между жидкостью, твердым телом и газом форма свободной поверхности жидкости зависит от сил взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердого тела (взаимодействием с молекулами газа (или пара) можно пренебречь). Если эти силы больше сил взаимодействия между молекулами самой жидкости, то жидкость смачивает поверхность твердого тела. В этом случае жидкость подходит к поверхности твердого тела под некоторым острым углом θ (рис. 2, а), характерным для данной пары жидкость – твердое тело. Угол θ называется краевым углом. Если силы взаимодействия между молекулами жидкости превосходят силы их взаимодействия с молекулами твердого тела, то краевой угол θ оказывается тупым (рис. 2, б). В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность твердого тела. При полном смачиванииθ = 0°, при полном несмачиванииθ = 180°.

Поверхностное натяжение является важнейшим физическим явлением в живой природе. Так, для многих организмов (мелких насекомых и паукообразных) поверхностная пленка воды является опорой движения. Например, водомерки опираются на воду только конечными члениками широко расставленных лапок; лапка, покрытая воскообразным налетом, не смачивается водой, поверхностный слой воды прогибается под давлением лапки, образуя небольшой мениск. Возникающее дополнительное давление удерживает водомерку.

Некоторые животные, обитающие в водоемах, но не имеющие жабр, подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. Этим приемом пользуются личинки комаров, в том числе и малярийных.

Рис. 3. Внешний вид установки

Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными веществами. По отношению к воде такими веществами являются нефть, спирт, эфир, мыло и др. Поэтому для борьбы с малярийными комарами зараженные водоемы поливают нефтью, которая значительно ослабляет коэффициент поверхностного натяжения и, соответственно, силу поверхностного натяжения воды. Поверхностная пленка воды, не выдерживая тяжести личинки, рвется. Личинка погружается на глубину и, лишенная воздуха, гибнет.

Описание установки

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения состоит из стойки (1) с вертикальной зеркальной шкалой (2) (рис. 3). Перед шкалой, параллельно ей, подвешено кольцо (3) на пружине (4). Выше плоскости кольца находится не­большая чашка (5) для грузов. Над чашкой укреплен указатель (6). На стойке установлен сосуд (7), имеющий в нижней части кран (8) для слива исследуемой жидкости в сосуд (9).

Обоснование метода

Если кольцо, подвешенное на пружине, привести в соприкосновение с жидкостью, то на кольцо будет действовать сила поверхност­ного натяжения. Это проявляется в том, что при вытекании воды из сосуда пружина растягивается.

Рис. 4. Отрыв кольца

Отрыв кольца от жидкости про­изойдет в тот момент, когда сила поверхностного натяжения станет равна силе упругости пружины. Силу упру­гости пружины можно определить следующим образом: воду из сосуда слить на столько, чтобы кольцо не со­прикасалось с водой и нагрузить пру­жины так (помещая на чашку разно­вески), чтобы растяжение ее было точно таким же, как и при отрыве кольца от воды. Тогда вес разновесок будет равен силе упругости пружины, а, следовательно, и силе поверхност­ного натяжения. Разрыв поверхности пленки происходит по линии сопри­косновения кольца с поверхностным слоем жидкости. Можно видеть по рисунку 4, что разрыв поверхности жид­кости происходит по двум окружно­стям, диаметры которых равны внеш­нему и внутреннему диаметрам коль­ца. Общая линия разрыва

,

где - внешний диаметр кольца, - внутренний диаметр кольца.

Тогда, из формулы 2 можно записать:

, (3)

где P – вес разновесок.

Так как в данном случае вес разновесок равен их силе тяжести, т. е. , выражение (3) запишется в виде:

. (4)

Поиск по сайту: