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

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:

Рис. 1. Взаимодействие молекул жидкости

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 лапками, покрытыми воскообразным налетом, не смачивающимся 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, например личинки комаров (в том числе малярийных), подвешиваются снизу у поверхностной пленки воды с помощью несмачивающихся щетинок, окружающих их органы дыхания. 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.

Вещества, ослабляющие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-активными веществами.

Обоснование метода

Коэффициент поверхностного натяжения несложно определить в лабораторных условиях. Если из стеклянной трубки капает жидкость, то капля отрывается от трубки в том случае, когда сила тяжести равна силе поверхностного натяжения, удерживающей каплю. Поскольку сила тяжести F_т = mg, а сила поверхностного натяжения F = 2prσ, то условие отрыва капли запишется в виде

mg = 2prσ, (3)

где m – масса одной капли;

g – ускорение силы тяжести;

r – радиус шейки отрывающейся капли.

Так как непосредственно радиус r измерить трудно, то поступают следующим образом: пусть в некотором объеме V содержится n₁ капель одной жидкости (воды) и n₂ капель другой жидкости (керосина). Зная плотности жидкостей r₁ и r₂, можно записать равенства:

n₁m₁g = r₁V₁ g = n₁2prσ₁, (4)

n₂m₂g = r₂V₂g = n₂2prσ₂, (5)

откуда в случае равенства объёмов или

(6)

Описание установки

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом капель достаточно проста (рис. 3.). Она состоит из бюретки 1 с краном 3, на которой нанесены деления. Бюретка крепится на штативе 2, причем располагается таким образом, чтобы жидкость могла капать в стакан 4.

Поиск по сайту: