Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель работы: познакомиться с методами определения коэффициента поверхностного натяжения. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды.

Приборы и принадлежности:весы Жоли, чашечка с водой, разновес, бюретки с исследуемыми жидкостями.

ВВЕДЕНИЕ

В жидкости молекулы вещества находятся на гораздо меньшем расстоянии, чем в газе. При этом энергия межмолекулярного притяжения при обычных температурах превышает энергию теплового движения. Это обстоятельство приводит к тому, что жидкости занимают определенный объем (в отличии от газов), а поверхностный слой жидкости стремится сократиться. Рассмотрим явление поверхностного натяжения более подробно.

На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием. Расстояние, на котором заметно влияние молекулярных сил (порядка 10^{-9 м), называют радиусом молекулярного действия} r, а сферу радиуса r называют сферой молекулярного действия.

Выделим внутри жидкости какую – либо молекулу А (рис. 1) и проведем вокруг нее сферу радиуса r.

Рисунок 1.

Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны и в среднем скомпенсированы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Иначе обстоит дело с молекулой В, расположенной от поверхности жидкости на расстоянии меньшем, чем r. В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газа мала, по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая сил F, приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Таким образом, поверхностный слой оказывает на жидкость давление. Называемое молекулярным.

Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо совершить работу против действующих в этом слое сил. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя жидкости обладают большой потенциальной энергией, чем частицы внутри жидкости. Эта энергия называется поверхностной энергией и она пропорциональна площади слоя DS:

(1)

Коэффициент пропорциональности a между поверхностной энергией DU и площадью поверхности DS называется коэффициентом поверхностного натяжения. Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергией, то жидкость при отсутствии внешних сил стремится к сокращению поверхности, т.е. к форме шара. В условиях невесомости капля любой жидкости имеет сферическую форму.

Выделим мысленно часть поверхности жидкости, ограниченную замкнутым контуром АВСД (рис. 2)

Рисунок 2.

Тенденция этого контура к сокращению приводит к тому, что он действует на граничащие с ним участки с силами, распределенными по всему контуру. Эти силы называют силами поверхностного натяжения. Они направлены по касательным к поверхности жидкости и перпендикулярно к участкам контура, на который они действуют. Пусть сторона АВ подвижна, тогда при перемещении участка АВ поверхности жидкости на расстояние DХ под действием силы F поверхностного натяжения совершается работа F×DX за счет уменьшения поверхностной энергии на DU:

(2)

Отсюда следует, что сила поверхностного натяжения

(3)

Подставляя в уравнение (3) уравнение (1) и заменяя DS=DX×l получим:

(4)

где знак «минус» указывает на то, что сила направлена в сторону, противоположную смещению DХ.

Как следует из формул (1) и (4) коэффициент поверхностного натяжения является и энергетической, и силовой характеристикой поверхностного натяжения жидкостей: он является поверхностной энергией, которой обладает единичная площадь поверхности, и в то же время является силой поверхностного натяжения, которая действует на контур единичной длины.

Единица поверхностного натяжения в СИ – джоуль на квадратный метр (Дж/м²), или ньютон на метр (Н/м).

При температуре ~ 300 К, большинство жидкостей имеет коэффициент поверхностного натяжения порядка 10^-2 – 10^-1 (Н/м). С повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается, т.к. увеличиваются расстояния между молекулами жидкости.