Поверхностная энергия жидкости
Молекулы в жидкости обладают кинетической энергией теплового движения и потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости к поверхности надо совершить работу по преодолению силы молекулярного давления. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эта дополнительная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя, называется поверхностной энергией.
Если поверхность жидкости растянуть, то на поверхность будут выходить все новые молекулы, и потенциальная энергия поверхностного слоя будет увеличиваться. Следовательно, поверхностная энергия пропорциональна площади самой поверхности жидкости (рис.4).
, (2)
где А – работа силы поверхностного натяжения; F – сила поверхностного натяжения; Dx – растяжение пленки; DS – изменение площади поверхности пленки.
Из этого выражения можно дать еще одно определение коэффициента поверхностного натяжения.
Коэффициент поверхностного натяжения равен свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади поверхности. В этом случае единица измерения [a]=[Дж/м2].
Большое влияние на поверхностное натяжение оказывают находящиеся в жидкости примеси. Например, мыло, растворенное в воде, уменьшает коэффициент поверхностного натяжения до 0,045 Н/м, а сахар или соль повышают. Изменяющие поверхностное натяжение вещества называют поверхностно – активными. К ним можно отнести нефть, мыло, спирт.. Это явление объясняется межмолекулярным взаимодействием между молекулами. Если взаимодействие между молекулами самой жидкости больше, чем между молекулами жидкости и примеси, то молекулы примеси выталкиваются на поверхность и концентрация примеси на поверхности оказывается больше; чем в объеме, что и приводит к уменьшению поверхностного натяжения.
Поверхностно–активные вещества широко применяют при резке металлов, бурении горных пород, и т.д., так как разрушение горных пород в их присутствии происходит легче, адсорбируясь на поверхности твердого тела, они проникают внутрь микротрещин и способствуют дальнейшему развитию этих трещин вглубь.
Описание установки и выполнение работы
В данной работе определяют коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва кольца от поверхности, смачивающей ее жидкости.
Лабораторная установка (рис.5) представляет собой торсионные весы, к которым подвешено тонкое кольцо. Под кольцом расположен сосуд с исследуемой жидкостью. Кольцо с известными размерами опускают в исследуемую жидкость.
Поворачивая рычаг весов, отрывают кольцо из жидкости. В момент отрыва рычаг весов останавливают и измеряют силу отрыва кольца, которая по сути является силой разрыва поверхностной пленки. Разрыв происходит по двум линиям: по внешнему диаметру и внутреннему. Поэтому, суммарная линия отрыва будет равна
.
Поскольку проще замерять внешний диаметр и толщину то d 2 = d 1 –2 h
.
Тогда коэффициент поверхностного натяжения будет равен
| № | F, H | d1, м | h, м | a, H/м | Da, H/м | 
|
| Среднее значение | ||||||
Задачи
1. При определении силы поверхностного натяжения капельным методом число капель глицерина, вытекающего из капилляра, составляет n=50. Общая масса глицерина m=1 кг, а диаметр шейки капли в момент отрыва d=1 мм. Определите коэффициент поверхностного натяжения глицерина.
Ответы:1) 72,3 мН/м; 2) 52 мН/м; 3) 62,3 мН/м; 4) 62,5 мН/м; 5) 43,4 мН/м;
2. Тонкое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г.
Ответы:1) 1,32 Н; 2) 0,11 Н; 3) 0,42 Н; 4) 0,33 Н; 5) 0,25 Н.
3. Какую массу имеет капля воды, вытекающая из стеклянной трубки диаметром 1 мм? Считать диаметр капли равным диаметру шейки трубки.
Ответы:1) 2,25.10–5 кг; 2) 7,2.10–4 кг; 3) 8,3.10–3 кг; 4) 3,5.10–5 кг; 5) 4,2.10–5 кг.
4. Какую энергию необходимо затратить на образование поверхности мыльного пузыря радиусом 6 см при постоянной температуре?
Ответы:1) 2,8.10–3 Дж; 2) 0,77.10–2 Дж; 3) 3,6.10–3 Дж; 4) 0,92.10–3 Дж; 5) 7.10–3 Дж.
5. При измерении коэффициента поверхностного натяжения мыльного раствора при 150С использовали динамометр и проволочное кольцо диаметром 12 см и массой 20 г. При отрыве кольца от поверхности жидкости динамометр показал усилие 0,227 Н. Какой коэффициент поверхностного натяжения получен в результате опыта?
Ответы:1) 0,047 Н/м; 2) 0,04 Н/м; 3) 0,053 Н/м; 4) 0,072 Н/м; 5) 0,080 Н/м.
6. Капилляр с внутренним радиусом 2 мм опущен в жидкость. Найти коэффициент поверхностного натяжения жидкости, поднявшейся в капилляре, если ее масса равна 9.10–5 кг.
Ответы:1) 22.10–3 Н/м; 2) 62.10–3 Н/м; 3) 70.10–3 Н/м; 4) 40.10–3 Н/м; 5) 73.10–3 Н/м.
Контрольные вопросы
1. Что представляют собой жидкости, твердые и газообразные вещества?
2. Чем обусловлено внутреннее давление в жидкости?
3. Как возникает сила поверхностного натяжения? Куда она направлена?
4. Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения.
5. Почему поверхностный слой обладает избыточной энергией?
6. Вывод рабочей формулы.
7. Поверхностно-активные вещества.
8. Зависит ли поверхностное натяжение от температуры жидкости и как?
9. Имеют ли газы поверхностное натяжение?
Литература
4. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 1. М.: Наука, 1989. с.331–337.
5. Трофимов a Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002, с.128–130.
Лабораторная работа 1.15