Лабораторная работа №63. Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капли

Составители: С. И. Крылова, к.ф.-м.н., доцент,

Э. Л. Чистякова, к.ф.-м.н., доцент,

Л. И. Бутина, ст. преподаватель.

Цель работы:

Изучить явление поверхностного натяжения и ознакомиться с методом определения коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва капли.

Задачи работы:

1. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды на границе с воздухом.

2. Определить коэффициент поверхностного натяжения воды на границе со скипидаром

Приборы и принадлежности:

1. установка для наблюдения за истечением капель

2. отсчетный микроскоп,

3. аналитические весы,

4. набор сосудов для сбора воды,

5. плоскопараллельная кювета со скипидаром.

Теоретическое введение

Многочисленные наблюдения и опыты свидетельствуют о том, что жидкость в отсутствие внешних воздействий принимает форму с наименьшей площадью поверхности. Это свойство связано с наличием поверхностного натяжения на границе жидкости с окружающей ее средой. Существование поверхностного натяжения можно объяснить с различных точек зрения.

Энергетическая трактовка поверхностного натяжения

Между молекулами жидкости действуют значительные силы притяжения, быстро убывающие с расстоянием. Расстояние между молекулами, начиная с которого силами их притяжения можно пренебречь, называется радиусом молекулярного действия, сфера радиусом R – сферой молекулярного действия (рис. 1).

Р ис. 1. Сфера молекулярного действия:

1, 2 – взаимодействующие молекулы, d – эффективный диаметр молекулы, R – радиус молекулярного действия.

Радиус молекулярного действия имеет величину порядка нескольких эффективных диаметров молекулы, т. е. R ≈ 1 мм. Каждая молекула, помещенная в центр сферы, испытывает притяжение со стороны всех остальных молекул, находящихся в ее пределах. Число взаимодействующих молекул можно оценить из отношения R³/d³.

Поверхность жидкости как граница раздела двух сред, например жидкости с собственным паром или какой-либо другой жидкостью, твердым телом (в частности со стенками сосуда, в котором она содержится), находится в особых условиях по сравнению с основной массой жидкости.

Оценим состояние молекул А и В (рис. 2), находящихся соответственно внутри жидкости и вблизи от ее поверхности. Молекула А, сфера молекулярного действия которой полностью размещена внутри жидкости, взаимодействует с молекулами одного с ней сорта. В силу сферической симметрии сумма сил ΣF_i, действующих на молекулу А, равна нулю, и эта молекула находится в равновесии. В равновесии будут находиться и все остальные молекулы, удаленные от поверхности жидкости на расстояние h ≥ R.

Иначе обстоит дело, если молекула расположена в пограничном слое толщиной h < R (молекула В). Эта молекула окружена молекулами той же жидкости, но не со всех сторон. Часть “соседей” молекулы В – это частицы второй среды, с которой эта жидкость граничит. Эта среда может отличаться от жидкости как природой (другая жидкость, стенки сосуда), так и плотностью частиц (пар жидкости). Имея различных соседей, молекулы поверхностного слоя и взаимодействуют с ними различным образом. Поэтому силы, действующие на молекулу, оказываются неуравновешенными: существует некоторая равнодействующая сила, направленная либо в сторону объема жидкости, либо в сторону граничащей с ней среды.

Р ис. 2. Молекулы жидкости в различных конфигурациях

Рис. 2 сделан в предположении, что результирующая сила взаимодействия F_P1 молекулы В с молекулами пограничной среды меньше результирующей силы F_P2, действующей со стороны молекул жидкости. Поэтому равнодействующая этих сил F_P направлена внутрь жидкости. Практически каждая молекула поверхностного слоя толщиной h < R испытывает действие силы F_P. В этом случае говорят о силах молекулярного давления.

Если силы молекулярного давления направлены внутрь жидкости, то молекулы поверхностного слоя стремятся покинуть его и уйти на глубину h > R. При этом сила F_P совершает положительную работу. Наоборот, переход молекулы из объема жидкости к поверхности сопровождается отрицательной работой против силы F_P и приводит к увеличению ее потенциальной энергии (почему речь идет именно о потенциальной энергии?). Таким образом, молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избыточной по сравнению с молекулами, находящимися в объеме жидкости, потенциальной энергией. Из термодинамических соображений эта энергия получила название свободной энергии поверхности и обозначается буквой U_S. Величина этой энергии пропорциональна площади поверхности S:

U_S = α S. (1)

Коэффициент α является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения (α > 0). Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения состоит в следующем.

Коэффициент поверхностного натяжения α численно равен работе, которую надо совершить, чтобы изотермически и квазистатически (то есть равновесно, когда система проходит через непрерывную последовательность бесконечно близких состояний ее термодинамического равновесия) увеличить площадь поверхности на единицу при неизменном объеме жидкости.

Из (1) следует, что коэффициент поверхностного натяжения жидкости можно определить как свободную энергию единицы площади этой поверхности:

α = U_S/S. (2)

Коэффициент α зависит от природы граничащих сред, их состояния и температуры. Единицей измерения α в СИ является Дж/м².

Так как состоянию устойчивого равновесия системы соответствует минимум ее потенциальной энергии, жидкость, предоставленная самой себе, всегда стремится принять форму с наименьшей площадью поверхности. Именно с этим связано стремление капелек жидкости принять сферическую форму, так как при заданном объеме шар обладает наименьшей из всех фигур площадью поверхности. Этому стремлению противодействует сила тяжести, но для маленьких капель это противодействие мало, и поэтому их форма близка к сферической. Уменьшение поверхностной энергии U_S может происходить не только при сокращении площади поверхности S, но и при изменении физических свойств поверхности, приводящем к изменению α.

Известно, что при растворении некоторых веществ в воде (спирты, эфир, мыла и др.) α убывает, а с растворением других (неорганические соли, сахар и др.) α возрастает. Замечено, что вещества, уменьшающие α, обладают большей концентрацией на поверхности, чем в объеме. Это обусловлено тем, что силы взаимодействия этих молекул с молекулами растворителя меньше сил взаимодействия между молекулами растворителя. Молекулы таких веществ, прежде всего, поступают в поверхностный слой и лишь после того, как он окажется заполненным ими достаточно плотно, проникают в основной объем жидкости. При выходе таких молекул на поверхность совершается меньшая работа, поэтому их скопление на поверхности уменьшает удельную поверхностную энергию, т. е. коэффициент α. Эти вещества называются поверхностно-активными.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от температуры жидкости. С возрастанием температуры α уменьшается и обращается в нуль при критической температуре.