ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Методом капель

Цель работы: 1. Ознакомление с физикой явления поверхностного натяжения жидкости.

2. Измерение поверхностного натяжения различных жидкостей методом капель.

Приборы и принадлежности: бюретки с краном, заполненные различными жидкостями.

1. Теория вопроса. Поверхностное натяжение

Согласно современным представлениям о строении вещества, между атомами и молекулами, образующими реальные физические среды, действуют силы взаимодействия. Эти силы могут приводить к образованию химических соединений. В этом случае их называют химическими или валентными силами. Если же химические соединения не образуются, то силы взаимодействия называют молекулярными силами. В дальнейшем будут рассматриваться только такие силы. Молекулярные силы являются силами притяжения и силами отталкивания. При очень малых расстояниях, когда электронные оболочки взаимодействующих частиц начинают взаимно проникать друг в друга, силы молекулярного притяжения переходят в силы отталкивания. Взаимодействие молекул удобно характеризовать потенциальной энергией взаимодействия П(r) как функцией расстояния r между центрами сблизившихся молекул. Качественно вид функции П(r) графически представлен на рис. 1.

Минимум функции соответствует случаю уравновешивания сил притяжения силами отталкивания (координата r₀). При расстояниях между молекулами r >> r₀ силами взаимодействия можно пренебречь. Тогда, очевидно, при r > r₀ должны проявляться силы притяжения между молекулами. Это расстояние (порядка R » 10^-9 м) называется радиусом молекулярного действия, а сфера радиуса R  сферой молекулярного действия.

Жидкое состояние возникает тогда, когда потенциальная энергия притяжения молекул превосходит по абсолютному значению их кинетическую энергию поступательного теплового движения. В естественных условиях молекулы в жидкости расположены с равномерной плотностью и равнодействующая молекулярных сил, действующая на некоторую

Р и с. 1

выделенную молекулу, находящуюся внутри жидкости, равна нулю (рис. 2а). Поэтому движение молекулы является только тепловым, хаотическим.

Р и с. 2а Р и с. 2б

Однако если молекулы находятся в приповерхностном слое, толщина которого, например, равна радиусу сферы действия молекулярных сил, то появляется результирующая сила, направленная внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности и связанная со взаимодействием между молекулами, находящимися в области сферы действия молекулярных сил (рис. 2б). В то же время силы притяжение между молекулами жидкости значительные и они обеспечивают удержание молекул в объеме и на поверхности. Вследствие этого существование сил, втягивающих молекулу внутрь жидкости, приводит к появлению сил поверхностного натяжения, действующих вдоль поверхности.

Рассмотрим методы количественного представления этого явления. Первый, энергетический, основан на том, что потенциальная энергия молекулы в поверхностном слое больше, чем молекулы, находящиеся внутри объема жидкости. Поэтому для извлечения молекулы из внутренних частей жидкости на ее поверхность требуется совершение работы. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое, называется поверхностной энергией. Предполагая, что площадь поверхности S пропорциональна числу молекул N на поверхности, можно записать выражение для поверхностной энергии Е

, (1)

где s  коэффициент пропорциональности  называют поверхностным натяжением. Таким образом, поверхностное натяжение s  это поверхностная энергия жидкости, приходящаяся на единицу ее поверхности.

Введем теперь силовую характеристику поверхностного натяжения. Для этого удобно обратиться к простому демонстрационному опыту (рис. 3).

Р и с. 3

Допустим, в проволочном каркасе сторона СD может свободно скользить вдоль направляющих АС и BD. Создадим мыльную пленку на каркасе. Опыт показывает, что пленка стремится сократиться и перемычка CD придет в движение в направлении к АВ. Наоборот, для увеличения площади надо приложить некоторую силу F. Эти результаты имеют достаточно простое объяснение. Так же, как и в механике, для которой система стремится достигнуть состояния с наименьшей потенциальной энергией (и только такое состояние является устойчивым), так и в термодинамике любая макроскопическая система в равновесном состоянии стремится достигнуть состояния с наименьшей энергией. Следствием этого и является тот факт, что любая жидкость стремится уменьшить свою поверхность. При перемещении стороны СD на dx над пленкой будет совершена работа

dA = Fdx (2)

и площадь пленки увеличится на DS = Ldx. По ранее сделанному определению, работа dA идет на увеличение поверхностной энергии dE, т. е. равна sDS. Приравнивая оба выражения, получаем

. (3)

Следовательно, поверхностное натяжение s представляет собой силу поверхностного натяжения, действующую вдоль поверхности жидкости, приходящейся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность жидкости.

Единица измерения поверхностного натяжения Дж/м² = Н/м.

Поверхностное натяжение зависит от свойств жидкости и варьируется для большинства жидкостей в пределах от 10^-2 до 10^-1 Н/м (при t = 20 °С). Оно также зависит от свойств среды, с которой соприкасается поверхность жидкости. Объясняется это тем, что среда влияет посредством молекулярных сил на взаимодействие молекул поверхности жидкости. Очевидно, поверхностное натяжение жидкости на ее свободной поверхности должно быть больше, чем для этой же жидкости, например, находящейся в контакте с другой жидкостью или поверхностью твердого тела. Вследствие этого, когда приводится величина поверхностного натяжения, более точно надо указывать не только жидкость, которая имеется в виду, но и вещество, с которым поверхность жидкости соприкасается.