Поверхностная энергия жидкости

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 6
Оценка:
0.00 из 5.00 — оценок
Скачиваний: 0

го тела, однако на далеких расстояниях расположение молекул жидкости будет не упорядоченным. Если в твердом теле кристаллическая решетка сохраняется со временем, то в жидкости структура ближнего порядка непрерывно меняется вследствие малости времени оседлой жизни молекул (t » 10-11 с).

Жидкости, как и газы, обладают текучестью, любая неуравновешенная сила вызывает их течение. Это свойство коренным образом отличает их от твердых тел, где текучесть может проявиться под воздействием только сил, превосходящих предел упругости. Текучестью жидкости объясняется тот факт, что в широких сосудах, находящихся в поле силы тяжести, ее поверхность горизонтальна. Если жидкость освободить от действия силы тяжести, то она примет форму шара.

2. Внутреннее давление в жидкости.

Рис.1.

 

На каждую молекулу со стороны окружающих ее молекул действует сила притяжения на расстоянии R. Проведенную сферу этим радиусом называют сферой молекулярного действия. Каждая молекула взаимодействует только с непосредственно прилегающими к ней молекулами (на рис.1 это выделенные цветом молекулы).

Рассмотрим молекулы жидкости, которые находятся на поверхности и внутри (рис.2). Молекула, которая находится внутри жидкости, со всех сторон окружена такими же молекулами. В результате результирующая сила притяжения равна нулю .

 

Рис.2

 

Иначе обстоит дело с молекулой, находящейся на поверхности (рис 2.) жидкости. Так как концентрация молекул в газе намного меньше концентрации молекул в жидкости (расстояние между молекулами в газе намного больше, чем в жидкости и взаимодействием между молекулами в газе можно пренебречь), то результирующая сила и направлена внутрь жидкости перпендикулярно ее поверхности. В результате поверхностный молекулярный слой жидкости будет оказывать на всю жидкость давление, равное сумме результирующих сил поверхностных молекул. Это давление называется внутренним или молекулярным. Оно оказывается огромным, что объясняет несжимаемость жидкости. Молекулы в жидкости оказываются сжатыми на таком расстоянии, что небольшое уменьшение расстояния между молекулами приводит к резкому возрастанию сил межмолекулярного отталкивания.

Силы сцепления между молекулами поверхности приводят к поверхностному натяжению (рис.3).

Рис.3

 

Поверхностное натяжение стремится сократить свободную поверхность жидкости, поэтому поверхность подобна растянутой упругой пленке, в которой возникает сила поверхностного натяжения, которая:

1. Направлена по касательной к поверхности.

2. Перпендикулярна произвольной линии, проведенной по поверхности жидкости.

3. Пропорциональна длине линии

 

. (1)

 

где - длина линии на поверхности жидкости,

a - коэффициент поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность жидкости. Единица измерения [a] = Н/м.

Коэффициент поверхностного натяжения, а следовательно, и сила поверхностного натяжения, зависят от химического состояния жидкости и от ее температуры. С ростом температуры расстояние между молекулами возрастает, а силы межмолекулярного взаимодействия падают, что приводит к уменьшению силы и коэффициента поверхностного натяжения.

 

Поверхностная энергия жидкости

 

Рис.4

 

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)

 

А - работа силы поверхностного натяжения;

F - сила поверхностного натяжения;

Dx - растяжение пленки;

DS - изменение 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.

 

Рис.5

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
1            
2            
3            

Среднее значение

      

 

 

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.

 

 

Лабораторная работа 1.15

Определение коэффициента линейного расширения твердых тел

 

Цель работы: теоретически и экспериментально ознакомиться с тепловым расширением тел.

Приборы и материалы: оптиметр, термостат, терморегулятор, штангенциркуль, испытуемые образцы.

 

Краткая теория

 

Опыт показывает , что с повышением температуры происходит расширение твердых тел , называемое тепловым. Для характеристики этого явления вводится коэффициент теплового расширения.

Пусть - длина тела при температуре t , удлинение этого тела при нагревании на D t пропорционально первоначальной длине и разности температур конечного и начального состояния тела:

 

,

 

a - коэффициент линейного расширения. Его физический смысл и единицу измерения определим из выражения:

 

.

 

Коэффициент линейного расширения показывает удлинение единицы длины при нагревании на один градус.

 

.

 

Общая длина тела при температуре t определяется выражением: