III. Проведение эксперимента и обработка результатов. Изучение свойства поверхности жидкости
Лабораторная работа № 2. 6.
Изучение свойства поверхности жидкости
Цель работы: определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методами капель и отрыва от жидкости.
I. Основные понятия и определения
Жидкое состояние вещества является промежуточным по отношению к газообразному и твёрдому состоянию. Поэтому с одной стороны, как и газ, вещество в жидком состоянии не обладает упругостью формы, и как твёрдое тело, практически несжимаемо.
Как отмечалось в лабораторной работа № 2.5, глубина потенциальной ямы для молекулы жидкости сравнительно легко выходит из потенциальной ямы и становится общими для всего объёма. Если молекулы нет на своём месте, то связь и периодичности по внутреннему строению представляет собой сильно нарушений кристалл, что и положено в основу дырочной теории строения жидкости Я.И.Френкеля.
Особыми свойствами обладает поверхность жидкости. Дело в том, что молекулы на поверхности со стороны объёма жидкости испытывают большее притяжение, нежели со стороны пара над жидкостью. Следовательно, они будут стремиться уйти в объём. В соответствии с принципом стремления системы к минимуму энергии, молекулы уходят с поверхности в объём для уменьшения поверхностной энергии жидкости.
Таким образом, в заданных условиях жидкость стремится иметь возможную минимальную поверхность. Например, в невесомости поверхность жидкости представляет сферу.
Очевидно, что силы, возникающие на поверхности при её деформации и действующие по касательной в каждой точке поверхности, пропорциональны числу вовлечённых в деформацию молекул и их энергии. Поэтому можно ввести понятие коэффициента поверхностного натяжения, как силы действующей на единицу длины деформируемого контура на поверхности жидкости или энергии (работы), затрачиваемой при изменении площади контура на единицу, т.е. 
Из сказанного выше следует, что поверхностный слой жидкости подобен плёнке, стягивающей объём жидкостью. Очевидно, что если эта плёнка искривлена, то возникнут силы, стремящиеся сгладить это искривление. Это, что если поверхность является выпуклой, то равнодействующая сил поверхностного натяжения будет направлена внутрь объёма жидкости, если вогнутая, то из объёма.
Следовательно, искривлённая поверхность жидкости создаёт дополнительное давление, которое, согласно формуле Лапласа, описывается выражением вида 
, где R1 и R2 — радиусы кривизны жидкости во взаимно перпендикулярных сечениях её поверхности. Именно это добавочное давление обусловливает возникновение мениска на границе жидкости с твёрдым телом, подъём и опускание жидкости в капиллярах.
Искривление поверхности жидкости на границе с твёрдым телом зависит от соотношения взаимодействия молекул жидкости друг с другом и твёрдым телом, то жидкость не смачивает поверхность — капля жидкости растекается по поверхности. В противном случае капля растекается по поверхности (смачивание). В первом случае мениск выпуклый, во втором — вогнутый.
Если в однородной жидкости растворено вещество, взаимодействие, между молекулами которого, больше взаимодействия между молекулами вещества и жидкости, то молекулы растворённого вещества будут выталкиваться на поверхность, образуя плёнку. Энергия молекул вещества в плёнке будет меньше, (глубина потенциальной ямы больше), чем в объёме жидкости. Такие вещества называются поверхностно- активными (ПАВ).
II. Методика эксперимента
Для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости можно воспользоваться методом отрыва от поверхности. Он заключается в измерении силы F, которую необходимо приложить для отрыва предмета с известным периметром, поверхность которого смачивается, от поверхности. В данной работе в качестве предмета используется проволока длиной L, которая своей плоскостью касается поверхности. Тогда из сказанного выше следует, чтo:
= F/2L. (1)
Здесь диаметром проволоки пренебрегаем, т.к.d << L.
Результаты измерений коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва от поверхности используются для определения коэффициентов поверхностного натяжения других жидкостей методом капель.
Метод капель основан на явлении зависимости массы капли, падающей с конца трубки, от коэффициента поверхностного натяжения. Действительно, капля находится как бы в упругой плёнке, сохраняющей целостность за счёт сил поверхностного натяжения и сцепленной при смачивании с краем трубки. Так как взаимодействие молекул жидкости с материалом трубки при смачивании больше, чем между молекулами жидкости, то момент отрыва капли будет определяться равенством веса капли и силы поверхностного натяжения, действующей вдоль края трубки и равной F=d ,где d –диаметр трубки
Если из одинаковых трубок вытекает одинаковый объём V жидкостей с плотностями p, px и число капель, соответственно n, nx, то вес капли P=Vg/n. Тогда из равенства P=F, получим для коэффициента поверхностного натяжения неизвестной жидкости x,
(2)
где n, nx – число капель известной и неизвестной жидкостей с плотностями, соответственно, р, рx.
III. Проведение эксперимента и обработка результатов
1. С помощью установки метода отрыва от поверхности определить силу отрыва проволоки от поверхности воды для трёх значений длин проволоки и занести в таблицу.
Таблица 1.
| № п/п | L, м | F, мН | , Н/м | ср, Н/м | , Н/м | , % | n | nx | x, Н/м | xср, Н/м | , Н/м | , % |
2. По формуле (1) рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды и определить ошибку измерения.
3. Методом капель определить коэффициент поверхностного натяжения для мыльного раствора для трёх значений объёма.
4. По формуле (2) рассчитать значение коэффициента поверхностного натяжения для мыльного раствора, принимая за известный коэффициент поверхностного натяжения ср для воды.
5. Сравнить полученные выражения с табличными данными.
Контрольные вопросы
1. Чем примечательно жидкое состояние вещества?
2. Как объяснить с микроскопической точки зрения свойства жидкости?
3. Какими свойствами обладает поверхность жидкости?
4. Как определить понятие коэффициента поверхностного натяжения?
5. Как объяснить возникновение добавочного давления под искривлённой поверхностью жидкости?
6. Как объяснить явление смачивания твёрдой поверхности жидкости?
7. Как ведёт себя в жидкости поверхностно – активное вещество?
8. В чём заключается методика определения коэффициента поверхностного натяжения неизвестной жидкости?
9. В чём содержание метода отрыва от поверхности и метода капель?
10. Как определить поверхностную энергию воды в сосуде?