Методы определения поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение жидкостей может быть измерено различными методами. Рассмотрим некоторые из них.

1. Метод поднятия жидкости в капиллярах.

В данном методе используются следующие явления.

При соприкосновении жидкости с твердым веществом возможны два случая:

а) силы взаимного притяжения между молекулами жидкости больше, чем между молекулами жидкости и частицами твердого вещества. В этом случае жидкость не смачивает твердое вещество и, если в жидкость опустить капилляр из такого материала, поверхность жидкости в таком капилляре (мениск) имеет выпуклую форму (рисунок 3а);

б) силы взаимного притяжения между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами жидкости и частицами твердого вещества. При этом жидкость смачивает твердое вещество, и мениск в капилляре из такого материала имеет вогнутую форму (рисунок 3б).

а) б)

Рисунок 3 – Формы мениска жидкостей

Стремясь к минимуму поверхности (к плоской поверхности), выпуклый мениск сжимает нижние слои жидкости, а вогнутый растягивает их. В жидкости возникает некоторое добавочное давление, зависящее от кривизны поверхности жидкости. Оно вычисляется по формуле Лапласа

2

Р = ,

R

где – поверхностное натяжение жидкости;

R – радиус кривизны мениска.

Если мениск выпуклый, то добавочное давление добавляется к внутреннему давлению жидкости. Если мениск вогнутый, то это давление уменьшает внутреннее давление, то есть вычитается из него. Этим объясняются подъем жидкости в капилляре, опущенном в жидкость, которая смачивает стенки капилляра, и опускание жидкости в капилляре, когда она не смачивает его стенок.

Для определения поверхностного натяжения жидкости подбирается капилляр из материала, который смачивается исследуемой жидкостью. Под действием разности давлений, которая была рассмотрена выше, жидкость, смачивающая стенки капилляра, поднимается на высоту h (см. рисунок 3б). Гидростатическое давление столба жидкости при этом составляет величину

Р_Г= d^.g^.h

и равно давлению, вычисленному по уравнению Лапласа, то есть

2 

Р_Г= Р и d^. g ^.h =, (1)

R

где d – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение силы земного притяжения (g = 9,81 м/с²);

h – высота подъема жидкости в капилляре.

Радиус кривизны мениска и радиус капилляра связаны соотношением:

r

R = ,

cos 

где r – радиус капилляра, м;

 – краевой угол смачивания, град.

Тогда, соотношение (1) можно записать формулой

r d h g

 = . (2)

2 cos 

При полном смачивании (= 1 и cos= 1) последнее выражение примет вид

r d h g

 = . (3)

2

Уравнения (2) и (3) используют для вычисления поверхностного натяжения методом подъема жидкости в капилляре.

2. Метод максимального давления в пузырьке газа (метод продавливания пузырька).

Поверхностное натяжение определяют измерением наибольшего давления в газовых пузырьках, образующихся в жидкости. Для измерений используют капилляр, который погружают вертикально в жидкость так, чтобы его торец только касался поверхности жидкости. Капилляр соединяют с емкостью, заполненной газом. Давление газа измеряют манометром.

Если давление газа, подаваемого в капилляр, больше, чем давление над поверхностью жидкости, то на конце его образуется пузырек газа, который увеличивается до некоторого предела, определяемого поверхностным натяжением жидкости. Достигнув предельных размеров, пузырек отрывается от поверхности капилляра, и газ выходит в пространство над жидкостью. В момент отрыва пузырька давление в нем имеет максимальную величину.

Избыточное (максимальное) давление в пузырьке газа определяется уравнением

А·

Р = ,

r

где А – постоянная установки;

 – поверхностное натяжение жидкости;

r – радиус капилляра.

Обычно для устранения величин А и r определение поверхностного натяжения исследуемой жидкости проводят с использованием стандартной жидкости, поверхностное натяжение которой при заданной температуре известно. Для двух жидкостей с разными поверхностными натяжениями и₀при использовании одного и того же капилляра справедливо соотношение:

 ₀

 = .

Р Р₀

Из записанного равенства поверхностное натяжение исследуемой жидкости вычисляется по формуле:

Р

 = ₀,

Р₀

где ₀и Р₀– поверхностное натяжение и максимальное давление в пузырьке газа стандартной жидкости;

Р – максимальное давление в пузырьке газа исследуемой жидкости.

Установки для измерения поверхностного натяжения методом наибольшего давления в пузырьке газа могут иметь различное конструктивное исполнение.

Существуют и другие методы определения поверхностного натяжения жидкостей. Например, метод отрыва рамки от поверхности жидкости, метод счета капель (или метод взвешивания).