ИЗУЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

Между молекулами жидкости существуют силы притяжения, которые действуют на очень маленьком расстоянии r (порядка 10^{-9 м). Это расстояние} r называется радиусом молекулярного действия. Сфера вокруг центра молекулы радиусом r называется сферой молекулярного действия. Внутри сферы находится множество других молекул, которые взаимодействуют с молекулой М.

Если молекула М₁ находится внутри жидкости (рис. 1) и сфера молекулярного взаимодействия лежит целиком под поверхностью жидкости, то вследствие статистической закономерности симметрии расположения всех других взаимодействующих молекул, равнодействующая сил взаимодействия равна нулю! Таким образом, внутри жидкости не будет проявляться действие этих сил.

Если же молекула находится на границе с какой-либо средой, например, с воздухом, с паром жидкости, стенками сосуда и т. д., то симметрия нарушается. Молекула на границе находится совершенно в других условиях, нежели молекула внутри жидкости (рис. 1).

Рассмотрим молекулу М₂, которая находится на расстоянии от поверхности, меньшем чем r. Так как плотность воздуха во много раз меньше плотности жидкости, то выступающая за пределы жидкости часть сферы молекулярного действия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы. В результате на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r, будет действовать сила, направленная внутрь жидкости. Величина этой силы растет в направлении от внутренней к наружной границе слоя. Молекулы в поверхностном слое обладают дополнительной потенциальной энергией.

Молекулы жидкости стремятся уйти с поверхностного слоя внутрь жидкости. Уменьшение числа молекул в поверхностном слое жидкости может произойти только при уменьшении ее поверхности. Поэтому вся жидкость стремится сократить свою поверхность. Поверхностный слой как бы стремится внутрь жидкости и на ее поверхности образуется, таким образом, как бы упругая пленка. Это явление называется поверхностным натяжением.

Лежащие в поверхностном слое молекулы притягиваются не только молекулами, расположенными ниже их, но и своими соседями (рис. 2). В результате этого в поверхностном слое возникает сила поверхностного натяжения, для количественной характеристики которой вводят коэффициент поверхностного натяжения (s). Его можно ввести двояко: с энергетической точки зрения и с силовой.

Коэффициент поверхностного натяжения (s) – величина, численно равная работе, необходимой для изменения площади поверхности жидкости на единицу.

Коэффициент поверхностного натяжения (s) – величина, численно равная силе, действующей вдоль поверхности жидкости на единицу длины поверхности жидкости.

Для определения коэффициента поверхностного натяжения существует несколько способов:

1. Определение (s) способом отрыва.

2. Определение (s) по методу максимального давления в пузырьке.

3. Определение коэффициента (s) способом капель.

Определение коэффициента поверхностного натяжения

способом капель

Экспериментальная установка состоит из бюретки с радиусом r_б = 1 мм. На бюретке нанесена шкала c ценой деления 0,1 миллилитра, по которой можно определить объем вытекающей жидкости. В СИ 1 мл = 1^. 10^{-6 м3}.

На рис. 3 показан процесс образования капли в бюретке. Перед отрывом капли образуется шейка, радиус которой примерно равен 0,9 радиуса бюретки (r_ш = 0,9 r_б). Вдоль окружности этой шейки и действует сила поверхностного натяжения жидкости F_п.н., которая в момент отрыва равна силе тяжести F_m.

F_m = F_п.н.

m_кg= 2pr_шs,

гдеm_к – масса одной капли.

Массу капли можно выразить через плотность воды r_ви объем одной капли V_к.

m_к= r_в V_к

Объем одной капли можно определить экспериментально, зная объем вытекшей воды V и количество капель N.

Тогда, используя полученные выражения, можно выразить s.

(1)