Теория вопроса и метод выполнения работы. Жидкости характерны тем, что их молекулы, расположенные в поверхностном слое ( м), находятся в иных условиях по сравнению с молекулами

Жидкости характерны тем, что их молекулы, расположенные в поверхностном слое
( м), находятся в иных условиях по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Каждая из молекул (см. рис. 5.1), находящихся в глубине жидкости ( ), окружена со всех сторон другими молекулами и испытывают одинаковое притяжение во всех направлениях. Результирующая сила, действующая на молекулу , не равна нулю и направлена вовнутрь жидкости. Под действием этой силы молекулы, лежащие в поверхностном слое, стремятся уйти вовнутрь жидкости, и поверхность жидкости сокращается при этом до минимума.

Свойство поверхности жидкости сокращаться, можно истолковать как существование сил, стремящихся сократить эту поверхность. Эти силы называются силами поверхностного натяжения.

Если будут созданы условия, при которых внешними силами можно пренебречь по сравнению с силами поверхностного натяжения, то жидкость примет форму, обладающую наименьшей поверхностью при заданном объеме – форму шара.

Рис. 5.1. Схематичное изображение сил, действующих на молекулы в жидкости

Такие условия создаются при образовании тумана, мелких капель росы, в опытах с жидкостью на космической станции. Наличие внешних сил приводит к изменению формы капель жидкости.

Допустим, что молекула жидкости перемещается из поверхностного слоя внутрь жидкости. В этом случае силы, действующие на молекулу, совершают положительную работу. Наоборот, для перевода молекулы из внутренних областей жидкости в поверхностный слой необходимо совершить работу. Работа сил молекулярного притяжения будет при этом отрицательна.

Следовательно, молекулы, образующие поверхностный слой жидкости, обладают по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости, дополнительной (избыточной) потенциальной энергией . Очевидно, что эта энергия пропорциональна площади поверхности жидкости .

. (5.1)

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом поверхностного натяжения жидкости. Эта величина имеет два физических смысла.

Во-первых, коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить поверхности жидкости на единицу площади.

.

Во-вторых, если площадь поверхности окружена контуром длины , то силы поверхностного натяжения действуют на каждый отрезок этого контура (см. рис. 5.2).

Рис. 5.2. Сила, действующая на единицу длины контура

Тогда коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины этого контура

.

Коэффициент поверхностного натяжения можно определить, рассмотрев образование и отрыв капли, вытекающей из тонкой трубки. Перед отрывом капли сила тяжести, действующая на нее, уравновешивается силой поверхностного натяжения, направленной вверх. Поэтому (рис. 5.3).

Вес капли постепенно увеличивается и в некоторый момент превышает силу поверхностного натяжения пленки, поддерживающей каплю, и капля отрывается.

Силу поверхностного натяжения можно подсчитать, умножив коэффициент поверхностного натяжения жидкости на длину линии отрыва капли (длину окружности шейки капли). Длина контура , по которому отрывается капля, равна длине окружности или , где – диаметр шейки капли.

. (5.2)

Тогда . Откуда:

. (5.3)

Рис. 5.3. Схема отрыва капли жидкости

Порядок выполнения работы

I. Метод отрыва капель

1. Соберите установку, показанную на рисунке 5.4. Экспериментально установлено, что диаметр шейки капли (рис. 5.3) равен 0,9 диаметра узкого конца бюретки м.

Рис. 5.4. Общий вид установки

2. Определите массу пустого сосуда для сбора капель.

3. Подставьте пустой сосуд (не для сбора капель) и отрегулируйте истечение жидкости из бюретки так, чтобы можно было успевать отсчитывать количество капель.

4. Подставьте пустой сосуд под бюретку и отсчитайте число упавших капель воды .

5. Определите взвешиванием массу капель.

6. Повторите опыт, собрав в сосуд 75 и 100 капель.

7. Для каждого из трех случаев ( , 75, 100) вычислите коэффициент поверхностного натяжения по формуле

. (5.4)

8. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу 5.1.

Таблица 5.1