Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

1. Жидкостями называются тела, которые имеют определенный объем, но не имеют своей формы, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Они резко отличаются от газа и твердого тела.

Газ не имеет ни своего объема, ни своей формы (и то и другое зависит от сосуда, в котором находится газ). Твердое тело имеет свой объем и свою форму. Это различие обусловлено характером теплового движения молекул и силами молекулярного взаимодействия.

В жидкостях среднее расстояние между молекулами того же порядка, что и их размеры, поэтому перемещение молекул в объеме крайне затруднено. Движение молекул можно представить так: молекула жидкости в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, затем под воздействием окружающих молекул она скачком меняет место равновесия, перемещаясь на расстояние порядка размера молекулы. Таким образом, молекулы жидкости можно разделить на две группы: одна из них газоподобна и совершает беспорядочные перемещения (кочующие молекулы), другая находится в колебательном движении (оседлые молекулы). Между оседлыми и кочующими молекулами существует динамическое равновесие. С ростом температуры возрастает доля кочующих молекул.

Газообразное, жидкое и твердое (кристаллическое) состояния вещества различаются степенью упорядоченности пространственного расположения частиц. Схематическое располо­жение частиц в газе жидкости и твердом кристаллическом теле показано на рис.1.

В газах молекулы распола­гаются совершенно неупорядо­ченно. В твердом теле частицы тела плотно упакованы и обра­зуют кристаллические решетки, для которых характерна полная упорядоченность (дальний поря­док). Жидкости обладают час­тично упорядоченной структу­рой (ближний порядок). Число ближайших соседей у фиксированных молекул будет примерно таким же, как и у частиц твердого тела, однако на далеких расстояниях расположение молекул жидкости будет не упорядоченным.

Если в твердом теле кристаллическая решетка сохраняется со временем, то в жидкости структура ближнего порядка непрерывно меняется вследствие малости времени оседлой жизни молекул (t » 10^–11 с).

Жидкости, как и газы, обладают текучестью, любая неуравновешенная сила вызывает их течение. Это свойство коренным образом отличает их от твердых тел, где текучесть может проявиться под воздействием только сил, превосходящих предел упругости. Текучестью жидкости объясняется тот факт, что в широких сосудах, находящихся в поле силы тяжести, ее поверх­ность горизонтальна. Если жидкость освободить от действия силы тяжести, то она примет форму шара.

2. Внутреннее давление в жидкости.

На каждую молекулу со стороны окружающих ее молекул действует сила притяжения на расстоянии R. Проведенную сферу этим радиусом называют сферой молекулярного действия.

Каждая молекула взаимодействует только с непосредственно прилегающими к ней молекулами (на рис.1 это выделенные цветом молекулы).

Рассмотрим молекулы жидкости, которые находятся на поверхности и внутри (рис.2). Молекула, которая находится внутри жидкости, со всех сторон окружена такими же молекулами. В результате результирующая сила притяжения равна нулю .

Иначе обстоит дело с моле­кулой, находящейся на поверх­ности (рис 2.) жидкости. Так как концентрация молекул в газе намного меньше концентрации молекул в жидкости (расстояние между молекулами в газе на­много больше, чем в жидкости и взаимодействием между молеку­лами в газе можно пренебречь), то результирующая сила и направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. В резуль­тате поверхностный молекулярный слой жидкости будет оказывать на всю жидкость давление, равное сумме результирующих сил поверхностных мо­лекул. Это давление называется внутренним или молекулярным.

Оно оказывается огромным, что объясняет несжимаемость жидкости. Молекулы в жидкости оказываются сжатыми на таком расстоянии, что не­большое уменьшение расстояния между молекулами приводит к резкому возрастанию сил межмолекулярного отталки­вания.

Силы сцепления между молекулами по­верхности приводят к поверхностному натяже­нию (рис.3).

Поверхностное натяжение стремится со­кратить свободную поверхность жидкости, по­этому поверхность подобна растянутой упру­гой пленке, в которой возникает сила поверх­ностного натяжения, которая:

1. Направлена по касательной к поверхно­сти.

2. Перпендикулярна произвольной линии, проведенной по поверхности жидкости.

3. Пропорциональна длине линии

. (1)

где – длина линии на поверхности жидкости, a – коэффициент поверх­ностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжениячисленно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости. Единица измерения [a] = [Н/м].

Коэффициент поверхностного натяжения, а следовательно, и сила поверхностного натяжения, зависят от химического состояния жидкости и от ее температуры. С ростом температуры расстояние между молекулами возрастает, а силы межмолекулярного взаимодействия падают, что приводит к уменьшению силы и коэффициента поверхностного натяжения.