Лабораторная работа №6 Явление поверхностного натяжения жидкости. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель и задача работы: изучение явления поверхностного натяжения, освоение одного из методов измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости, определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

1 Общие сведения

Взаимодействие молекул с соседними молекулами на поверхности жидкости приводит к появлению горизонтальной составляющей сил, действующих на молекулы в поверхностном слое. Эти силы также способствуют стремлению поверхности жидкости к сокращению. Они направлены по касательной к поверхности и получили название сил поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения – это физическая величина, равная отношению силы F поверхностного натяжения, приложенной к границе поверхностного слоя жидкости и направленной по касательной к поверхности, к длине l этой границы:

. (1)

Единица коэффициента поверхностного натяжения – Ньютон на метр (Н/м).

Теперь легко понять, почему жидкость принимает форму, при которой площадь ее свободной поверхности оказывается наименьшей: силы межмолекулярных взаимодействий втягивают молекулы с поверхности внутрь жидкости, а силы поверхностного натяжения сокращают площадь свободной поверхности, т.е. закрывают образовавшиеся «окна» на этой поверхности.

Итак, поверхностный слой жидкости всегда находится в состоянии натяжения. Однако это состояние нельзя сравнивать с натяжением упруго растянутой пленки. Упругие силы возрастают по мере увеличения площади растянутой пленки, а силы поверхностного натяжения от площади поверхности жидкости не зависят.

На изменение поверхности жидкости требуется затратить определенную работу, которая служит мерой свободной энергии поверхности.

Та часть потенциальной энергии, которая может перейти в работу по изотермическому сокращению поверхности жидкости, называется свободной энергией :

. (2)

Очевидно, что свободная энергия всей поверхности жидкости равна произведению коэффициента поверхностного натяжения на площадь этой поверхности:

.

Отсюда следует другое определение :

. (3)

Коэффициент поверхностного натяжения равен отношению свободной энергии поверхности жидкости к площади этой поверхности.

Поэтому можно выражать еще и в джоулях на квадратный метр (Дж/м²).

2 Описание установки и вывод расчетной формулы

В комплект установки входит штатив с зеркалом и столиком, сосуд с жидкостью, кольцо на пружине.

Коэффициент поверхностного натяжения можно измерить методом отрыва кольца. Для этой цели применяется установка (рисунок 1).

Рисунок 1 Схема установки: 1 - столик; 2 - сосуд жидкостью; 3 –кольцо; 4 – площадка; 5 – стрелка: 6 – пружина; 7 – кронштейн; 8 - зеркало; 9 – миллиметровая шкала; 10 – винт; 11 – стержень;

12 – массивная плита

При погружении смачиваемого кольца в жидкость молекулы пограничного слоя жидкости взаимодействуют с материалом кольца с большей силой, чем друг с другом. При поднимании кольца вместе с ним поднимается и часть жидкости, увеличивается ее поверхность (рисунок 2). Для дальнейшего поднятия кольца нужно преодолеть его вес , вес поднятой жидкости и силу поверхностного натяжения, действующую по наружной и внутренней поверхности кольца. Вес поднимаемой жидкости учесть трудно, но им можно пренебречь по сравнению с силами поверхностного натяжения, если взять кольцо с достаточно тонкими стенками. Сила поверхностного натяжения жидкости, действующая по наружной и внутренней поверхности кольца, в соответствии с формулой (1)

F= = ,

где b — толщина кольца, м; — наружный и - внутренний диаметры кольца, м.

Рисунок 2 Кольцо, касающееся поверхности жидкости

По измеренной силе из последней формулы можно найти коэффициент поверхностного натяжения

. (4)

Установка, используемая в работе, исключает необходимость взвешивания кольца и предназначена для непосредственного измерения силы поверхностного натяжения F. Кольцо подвешивают на нежесткую пружину и поднимают столик, на котором установлен сосуд с исследуемой жидкостью. Смочив нижний край кольца, столик медленно опускают и отмечают на шкале наибольшее опускание стрелки в момент его отрыва от жидкости.

После этого нагружают чашечку над кольцом разновесками и добиваются того же растяжения пружины, что и в момент отрыва его от жидкости. Вес разновесок Р=mg при этом равен силе поверхностного натяжения F, т.е. Р = F. Тогда формулу (4) можно записать

. (5)