Теоретические замечания

Определение коэффициента поверхностного натяжения методом разрыва капли

Теоретические замечания

Каждая молекула жидкости взаимодействует с другими молекулами, окружающими ее. Между молекулами жидкости одновременно существует как силы притяжения, так и силы отталкивания. Эти силы различны по своей природе, чем и обусловлен различный характер их зависимости от расстояния между взаимодействующими молекулами. На очень малых расстояниях преобладают силы отталкивания, на более дальних силы притяжения. Межмолекулярные силы (они называются силами Ван-дер-Ваальса) очень быстро убывают с расстоянием, и при расстояниях более см межмолекулярным взаимодействием можно пренебречь. Так как молекулы имеют величину того же порядка, при рассмотрении сил, действующих на молекулу внутри жидкости, достаточно учесть только ее взаимодействие с ближайшими молекулами.
Явление поверхностного натяжения связано с особым состоянием частиц, окружающих поверхностный слой жидкости. Рассмотрим молекулу в нутрии жидкости
(рис.1).
Ели молекулы находится внутри жидкости , то она окружена со всех сторон другими молекулами, поэтому суммарная сила, действующая на молекулу, равна нулю. Если молекула находится в слое жидкости, граничащем с другой средой, например, собственным паром, то
результирующая всех сил действующих на молекулу со стороны соседних Рис.1 молекул, отлична от нуля. Это объясняется тем, что число молекул в единице объема жидкости больше молекул в единице объема пара, в результате чего каждая молекула на поверхности окружена со стороны жидкости большим числом близлежащих соседей, чем со стороны пара. Этим и объясняется наличие результирующей силы, направленной внутрь жидкости.
Для того, чтобы молекула переместилась из глубины жидкости на поверхность, она должна совершить работу против сил, действующих в поверхностном слое. Итак, в поверхностном слое жидкости молекулы обладают дополнительной потенциальной энергией. Этот избыток энергии молекул жидкости, находящихся в поверхностном слое, по сравнению с их энергией в нутрии жидкости, называют поверхностной энергией W_пов .
Поверхностная энергия пропорциональна площади поверхности жидкости S:
W_пов =αS /1/
Коэффициент пропорциональности α зависит не только от природы и состояния жидкости, но и от природы и состояния той среды, с которой соприкасается данная поверхность жидкости. Его называют коэффициентом поверхностного натяжения. Процесс увеличения поверхностной энергии жидкости за счет работы молекул жидкости, переходящих из глубины жидкости в поверхностный слой, должен происходить при постоянной температуре, т.е. должен быть изотермическим. В противном случае наблюдалось бы охлаждение жидкости.
3
Физический смысл коэффициента поверхности натяжения состоит в следующем:
Коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе, затрачиваемой на образование 1м² поверхности жидкости при постоянной температуре:
dA α= . dS
Смысл коэффициента α можно дать и как свободную поверхностную энергию жидкости, приходящуюся на единицу поверхности:
Wпов
α=
S
Известно, что любая система, представленная сама себе, стремится перейти в состояние, соответствующее минимуму ее потенциальной энергии. Очевидно, что в состоянии невесомости жидкость принимает форму шара, отвечающую минимуму площади поверхности при фиксированном объеме. Поэтому форма свободно падающих капель жидкости близка к сферической.

Взаимодействие молекул с соседними молекулами на поверхности жидкости обуславливает наличие горизонтальной составляющей сил, действующих на молекулу в поверхностном слое. эти силы тоже способствуют стремлению поверхности жидкости к сокращению. Они направлены по касательной к
поверхности и получили название сил поверхностного натяжения.
Стремлением свободной поверхностной энергии к минимуму объясняется и своеобразие форм мыльных пленок, возникающих на проволочных корсарах.
Представим себе тонкий слой жидкости, который несколько Рис.2 растянут, пусть это – мыльная пленка, натянутая на прямоугольную рамку, одна сторона которой, длины l , подвижна (рис.2). Силы поверхностного натяжения f стремятся сжать эту пленку, уменьшить ее поверхность. Для того чтобы удержать пленку в растянутом состоянии, нужно приложить к ней силу f₁ , которая компенсировала бы силу поверхностное натяжение f = f₁. Эта сила должна быть тем больше, чем больше ширина рамки l . (Так как нужно учитывать обе поверхности пленки, то длина линии раздела −2l ).
Следовательно
f ~2l или f =2αl /2/ .
Коэффициент пропорциональности и называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости. Его можно определить как величину, численно равную силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура поверхностной пленки жидкости:

Это коэффициент характеризует свойства поверхности жидкости
Упражнение № 1. ОПРРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ МЕТОДОМ КАПЕЛЬ