Лабораторная работа №12-а определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрывания кольца

Молекулы жидкости, расположенные в поверхностном слое, находятся в особых условиях по сравнению с молекулами внутри жидкости (рис.1).

Взаимодействия молекул поверхностного слоя не скомпенсированы, вследствие чего между ними возникают силы, направленные параллельно поверхности жидкости, которые называются силами поверхностного натяжения F_пн. Если на поверхности жидкости выбрать некоторый контур (линию) длины L, то F_пн пропорциональна длине линии L:

F_пн = ·L (1)

Множитель пропорциональности  называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он является характеристикой данной жидкости.

Другое определение коэффициента поверхностного натяжения можно дать, рассматривая процесс образования и увеличения свободной поверхности жидкости. Для увеличения свободной поверхности жидкости необходимо, чтобы молекулы, находящиеся внутри, совершили работу против сил поверхностного натяжения, и вышли на поверхность. Работа dA, необходимая для образования поверхности dS жидкости, равна:

Эта работа увеличивает потенциальную энергию поверхности жидкости. В жидкости, имеющей свободную поверхность S, поверхностная энергия равна:

(2)

Можно показать, что множитель  в уравнениях (1) и (2) имеет один и тот же смысл – коэффициента поверхностного натяжения, а также измеряется в одних и тех же величинах – Н/м.

Если в жидкость опустить твёрдое тело, которое смачивается этой жидкостью, и вытягивать его из жидкости, возникнет сила, препятствующая вытягиванию.

Эта сила обусловлена силами поверхностного натяжения жидкости. Зная длину линии раздела между жидкостью и поверхностью вещества, опущенного в неё, и определив силу, при которой вещество отрывается от поверхности жидкости, можно вычислить , используя формулу (1). В качестве такого тела удобно использовать тонкостенный металлический цилиндр. (рис.2).

Описание установки и методики измерений

Тонкостенное металлическое кольцо К подвешено на пружине В. Кольцо соединено с чашкой, на которую можно помещать разновесные гирьки. Выше кольца расположен указатель С, представляющий собой горизонтально расположенный круг. Положение круга фиксируется на зеркальной шкале S. Тем самым имеется возможность оценивать растяжение пружины В. Под кольцо с помощью подвижного устройства подводится сосуд с исследуемой жидкостью (водой) до тех пор, пока кольцо не погрузится в воду. Затем сосуд опускается до отрыва кольца от воды.

Момент отрыва замечается по положению указателя С на зеркальной шкале S. По этому положению оценивается сила отрыва, т.е. сила поверхностного натяжения F_пн. Для определения силы отрыва предварительно производится градуировка пружины. С этой целью определяется зависимость растяжения пружины от нагрузки, для чего в чашку выше кольца последовательно накладываются гирьки и определяется положение указателя С на зеркальной шкале в зависимости от нагрузки пружины. По результатам определения растяжения пружины от нагрузки строится градуировочный график. С помощью этого графика и определяется сила, соответствующая растяжению пружины, при которой кольцо отрывается от жидкости.

Если внешний и внутренний диаметры кольца равны d₁ и d₂ соответственно, то длина линии соприкосновения жидкости с кольцом равна l = ·d₁ + ·d₂ = ·(d₁+d₂). Найдя силу F отрыва кольца от жидкости, в соответствии с формулой (1) имеем:

(3)