Влияние второй среды

Как уже обсуждалось выше, поверхностная энергия жидкости зависит не только от свойств самой жидкости, но и от свойств среды, граничащей с жидкостью. При введении термина коэффициента поверхностного натяжения предполагалось, что жидкость соприкасается с собственным паром. Поверхностная энергия практически не изменится, если с жидкостью граничит любой газ, малого давления. Это объясняется тем, что взаимодействие молекул жидкости с молекулами газа из-за малой его плотности значительно слабее взаимодействия между молекулами самой жидкости.

Возможно что, жидкость граничит с другой жидкостью или с твёрдым телом или с газом под большим давлением. В этом случае плотности веществ уже сравнимы между собой, и нельзя пренебрегать взаимодействием частиц жидкости с частицами соприкасающейся среды.

Из-за этого взаимодействия значения коэффициентов поверхностного натяжения жидкости, граничащей со своим паром и с другим более плотным веществом, значительно различаются между собой. Поэтому, определяя коэффициент поверхностного натяжения, необходимо учитывать свойства веществ по обе стороны от поверхности. В табл. 1 приведены данные о коэффициентах поверхностного натяжения, иллюстрирующие это обстоятельство.

Таблица 1

Значения коэффициентов поверхностного натяжения жидкостей для различных граничащих сред

Вещество	α ^. 10³, Н/м	Вещество	α ^.10³, Н/м
Вода-бензол	33,6	Ртуть-спирт	399
Вода-ртуть	12,2	Вода	73
Ртуть-вода	427	Ртуть	490

Из таблицы 1 видно, что коэффициент поверхностного натяжения на границе двух жидкостей всегда меньше, чем в случае свободной поверхности жидкости. Это объясняется тем, что, силы взаимодействия молекул поверхностного слоя с молекулами граничащей среды и со «своими» молекулами направлены в противоположные стороны.

Практическая часть Идея метода

Поверхностное натяжение можно определить путем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва различных твердых тел от этой поверхности. Этот метод носит название метода отрыва кольца или метод Дю Нуи.

Поскольку твердое тело смачивается жидкостью (т. е. силы взаимодействия между молекулами жидкости меньше, чем силы взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела), то при отрыве твердого тела вместе с ним поднимается некоторое количество жидкости. При этом свободная поверхность жидкости будет увеличиваться. Очевидно, что если сила, действующая на твердое тело, сравняется по величине с силой поверхностного натяжения, то тело оторвется.

Представим себе кольцо с наружным диаметром D, толщиной d, касающейся жидкости. При поднятии кольца вдоль его поверхностей образуется водяная пленка. Выражение для величины силы поверхностного натяжения имеет вид:

F = α ^. , (7)

где - длина контура, по которому действуют силы поверхностного натяжения, α – коэффициент поверхностного натяжения. В данном случае = 2πr или = πD, .тогда получим , что молекулы воды, расположенные на поверхности этой пленки, граничащей с внешней поверхностью кольца, тянут кольцо вниз с силой

F₁ = D, (8)

Аналогично молекулы, находящиеся на внутренней поверхности этой пленки, тянут кольцо вниз с силой

F₂ =  ^. (D - 2d). (9)

Результирующая сила, удерживающая кольцо равна по величине

F = D +  ^. (D – 2d) = 2 (D – d). (10)

В момент отрыва сила поверхностного натяжения по величине будет равна

. (11)

Откуда

. (12)

В тех случаях, когда толщина стенки кольца мала по сравнению с его диаметром, величиной d в соотношении (12) можно пренебречь. Тогда соотношение (12) примет вид

. (13)

Диаметр и толщина кольца могут быть измерены штангенциркулем, и определение коэффициента поверхностного натяжения сводится к нахождению силы отрыва F.

Схема установки для определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца приведена на рис. 1.