Теория и методика проведения опытов

Лабораторная работа

Цель работы: определить коэффициент поверхностного натяжения жидкостей методом отрыва кольца.

Экспериментальная установка

Теория и методика проведения опытов

Понятие поверхностного натяжения впервые ввел Я.Сегнер (1752).

Любая жидкость ограничена поверхностями раздела отделяющими ее от какой-либо другой среды - вакуума, газа, твердого тела, другой жидкости. Энергия поверхностных молекул жидкости отлична от энергии молекул внутри жидкости именно в силу того, что те и другие имеют различных соседей - у внутренних молекул все соседи одинаковы, у поверхностных - такие же молекулы расположены только с одной стороны. Поверхностные молекулы при заданной температуре имеют определенную энергию; перевод этих молекул внутрь жидкости приведет к тому, что их энергия изменится (без изменения общей энергии жидкости).

Разность этих энергий носит название поверхностной энергии. Поверхностная энергия пропорциональна числу поверхностных молекул (т.е.площади поверхности раздела) и зависит от параметров соприкасающихся сред; эта зависимость обычно характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения. Наличие поверхностной энергии вызывает появление сил поверхностного нажатия, стремящихся сократить поверхность раздела. Такое стремление есть следствие общего физического закона, согласно которому любая система стремится свести свою потенциальную энергию к минимуму. Жидкость, находящаяся в невесомости, будет принимать форму шара, поскольку поверхность шара минимальна среди всех поверхностей, ограничивающих заданный объем. Конечно, поверхностные силы существуют и в твердых телах, но относительная малость этих сил не позволяет им изменить форму тела, хотя при определенных условиях поверхностные силы могут привести к сглаживанию ребер кристаллов.

Жидкое состояние вещества является промежуточным между газообразным и твердым состоянием и имеет сходство, как с тем, так и с другим. Газообразное состояние вещества характеризуется большими средними расстояниями между молекулами. Поэтому, при тепловом движении газовые молекулы свободно перемещаются на расстояние значительно превышающие их средние размеры. Тепловое движение молекул в жидкости напоминает тепловое движение молекул в газах и твердых телах. Вследствие механизма теплового движения молекулы перемещаются медленно внутри жидкости, пребывая часть времени в «оседлом состоянии».

Из рассмотрения свойств жидкости вытекает, что молекулы, расположенные на поверхности, находятся в иных условиях, чем в глубине жидкости. В результате действия сил молекулярного давления поверхность жидкости представляет собой как бы пленку, находящуюся в состоянии натяжения.

Разрежем мысленно пленку вдоль отрезка прямой линией. Тогда каждая из частей разрезанной пленки будет действовать на линию разреза с определенной силой, имеющей характер натяжения, касательной к пленке и перпендикулярной к линии разреза. Сила F отнесенная к единице длины линии разреза ℓ, и есть коэффициент поверхностного натяжения σ:

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от вида жидкости и температуры. С повышением температуры он убывает. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определять методами отрыва капель, отрыва кольца и др.

Рассмотрим определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца. Поверхностное натяжение можно определить путем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва кольца с наружным диаметром D и толщиной d, касающегося поверхности жидкости. При поднятии кольца над поверхностью жидкости между кольцом и поверхностью жидкости образуется пленка. Внешняя поверхность этой пленки тянет кольцо вниз с силой , а внутренняя - с силой . Результирующая сила, удерживающая кольцо, равна . В момент отрыва , откуда .

Поверхностное натяжение является определяющим фактором многих технологических процессов: флотации, пропитки пористых материалов, нанесения покрытий, моющего действия, порошковой металлургии, пайки и др. Велика роль поверхностного натяжения в процессах, происходящих в невесомости. Силы поверхностного натяжения играют существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, поверхностное натяжение играет важную роль в физиологии нашего организма и нас самих. Например, в медицине измеряют динамическое и равновесное поверхностное натяжение сыворотки венозной крови, по которым можно диагностировать заболевание и вести контроль за проводимым лечением. Считается, что организму более полезна «жидкая» вода, тогда клеткам не надо будет тратить энергию на преодоление поверхностного натяжения. Вода с низким поверхностным натяжением биологически более доступна.