Тема: Исследование сил поверхностного натяжения

Цель: Целью работы является изучение поверхностного натяжения жидкости, исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от концентрации, а также овладение разными методами определения коэффициента поверхностного натяжения.

Краткое теоретическое введение

Поверхностное натяжение жидкости объясняется существованием сил молекулярного взаимодействия на свободной поверхности, соприкасающейся с газом или другой жидкостью.

Известно, что между молекулами вещества действуют силы молекулярного притяжения и отталкивания. На рис.1 изображена зависимость сил отталкивания и притяжения двух соседних молекул от расстояния между их центрами. Равнодействующая сил притяжения Fпр и отталкивания Fот, действующих на каждую молекулу изображена пунктирной линией. Эта равнодействующая дважды обращается в нуль - при расстояниях 2r_m и r₀ . Условно r_m называется радиусом молекулы, а r₀ - радиусом сферы молекулярного действия. ( )( ).

Когда расстояние между центрами молекул становиться меньше сферы радиуса r₀ , центральная молекула притягивается ко всем молекулам, находящимся внутри этой сферы ( рис.2).

Если в пределах сферы молекулярного действия плотность вещества одинакова, то равнодействующая сил притяжения, действующих на центральную молекулу, равна нулю. Если же плотность вещества неодинаковая, то равнодействующая сил молекулярного притяжения не равна нулю и направлена в сторону большей плотности. А потому на каждую молекулу поверхностного слоя толщиной d действуют силы молекулярного притяжения, перпендикулярные поверхности и направленные вглубь жидкости (рис3).

П од действием этих сил молекулы стремятся уйти с поверхности в глубину. Вместе с тем молекулы поверхностного слоя обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с молекулами, находящимися в глубине жидкости. Устойчивое равновесие жидкости связано с минимум потенциальной энергии, т.е. с минимально возможной в данном состоянии величиной поверхности жидкости. При изотермическом увеличении площади поверхности жидкости совершенная работа равна увеличению свободной поверхностной энергии.

(1)

Где - свободная энергия одной молекулы на поверхности жидкости

- свободная энергия одной молекулы в глубине

- число молекул выведенных из глубины на поверхность жидкости

Величина, численно равная работе изотермического увеличения поверхности жидкости на единицу, называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Обозначим - = - изменение свободной поверхностной энергии одной молекулы, а - число молекул единицы поверхности жидкости. Тогда (2). Поскольку всякая система стремится перейти в состояние с минимальной потенциальной энергией, свободная поверхность жидкости стремится сократить свою величину (капля жидкости всегда стремится принять форму шара, обладающего наименьшей поверхностью по сравнению с другими поверхностями). Это объясняется тем, что между молекулами поверхностного слоя, как показывает опыт, действуют силы поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно к любой линии на поверхности жидкости.

Можно предположить, что молекулы поверхностного слоя расположены на расстояниях, несколько больших 2r_m (рис.1). Эти расстояния уменьшаются по мере удаления от поверхности, и становится несколько меньше 2r_m на глубине (рис.3).

Силы поверхностного натяжения – это силы взаимного притяжения молекул. Работу увеличения поверхности можно подсчитать, например, при увеличении мыльной пленки (рис.4).

г де - внешняя сила, равна силе поверхностного натяжения, действующая на всю границу поверхности 2 , но противоположна по направлению:

Здесь - сила поверхностного натяжения, действующего на границу , но у пленки две поверхности. Получаем:

И так, коэффициент поверхностного натяжения измеряется силой поверхностного натяжения, действующей по касательной к поверхности на единицу длины произвольного контура по поверхности жидкости. Не трудно видеть, что это определение соответствует приведенному выше. Размерности коэффициентов, определенные этими двумя путями, совпадают

=[Дж/м² ]=[ Н/м]

Коэффициент поверхностного натяжения зависти от рода жидкости, т.е. от соотношения свободной поверхностной энергии молекул и энергии на глубине жидкости, а также от плотности жидкости, т.к. от нее зависит число молекул единицы поверхности. При нагревании жидкости уменьшается как , так и поэтому коэффициент поверхностного натяжения так же уменьшается. Рассмотрим взаимодействие молекул из верхней части сферы молекулярного действия. По мере роста температуры растет плотность пара над поверхностью, а плотность жидкости уменьшается. Поэтому и равнодействующая сил молекулярного притяжения, действующая на каждую молекулу поверхности слоя, уменьшается.

Эту температурную зависимость поверхностного натяжения жидкости можно проиллюстрировать на примере воды:

0	75,49	40	69,54
5	74,75	45	66,8
10	74,01	50	66,0
15	73,26	60	64,2
20	72,53	70	62,3
25	71,78	80
30	71,08	90

При критической температуре, когда исчезает различие между жидкостью и ее паром, равнодействующая обращается в нуль, исчезает поверхностный слой. Обращается в нуль и, следовательно, коэффициент поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить различными методами. Наиболее употребительными являются: метод отрыва кольца, капельный метод и метод, основанный на измерении максимального давления в пузырьке воздух (метод Ребиндера).