Лабораторная работа. Определение поверхностного натяжения жидкостей методом максимального давления в пузырьке

 

Цель работы: изучение зависимости коэффициента поверхностного натяжения воды от температуры.

 

Теоретические сведения

 

Рассмотрим особенности строения жидкостей, характеризующиеся так называемым ближним порядком.

По теории Я.И.Френкеля тепловое движение в жидкости заключается в том, что каждая молекула в течение некоторого времени находится в определенном месте всей массы жидкости, совершая колебания возле положения равновесия. Периодически молекула перескакивает на новое место так называемой «оседлой» жизни, совершая колебания относительно нового положения равновесия. Таким образом, молекулы жидкости перемещаются по всей массе вещества, что роднит их с газами, хотя в жидкостях эти перемещения происходят гораздо медленнее.

На границе раздела жидкости с газообразной средой, с другой несмешивающейся жидкостью или с твердым телом наблюдается явление, называемое поверхностным натяжением, проявляющееся в том, что поверхность жидкости образует упругую пленку.

Рассмотрим рисунок 4.1. Выясним отличие молекулы А, находящейся на поверхности, от молекул внутри жидкости. Любая молекула, находящаяся внутри жидкости, притягивается окружающими ее молекулами одинаково и действие этих сил притяжения скомпенсировано. На молекулу А, расположенную в поверхностном слое, молекулы, расположенные в глубине жидкости, действуют с силами, результирующая которых направлена внутрь жидкости. Эта сила F_д обуславливает наличие давления верхних слоев жидкости на нижние.

 

 

 

Рисунок 4.1

 

Чтобы переместить молекулу, находящуюся в глубине жидкости, на поверхность, надо совершить работу против силы F_д, поэтому молекулы поверхностного слоя обладают большей потенциальной энергией, чем молекулы, расположенные в глубине жидкости. Для того, чтобы увеличить площадь поверхности жидкости на величину ΔS, надо совершить работу А. Величина, численно равная работе, которую надо совершить, чтобы увеличить площадь поверхности на единицу, называется коэффициентом поверхностного натяжения: σ=А/ ΔS

Сумма касательных составляющих F_к по отношению к каждой молекуле равна нулю, а в целом для жидкости эти силы обуславливают поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение характеризуют силой F_п, приложенной к контуру, ограничивающему поверхность жидкости. Эта сила в каждой точке контура направлена по касательной к поверхности жидкости и перпендикулярно линии контура так, что стремится сократить свободную поверхность жидкости.

Рассмотрим мыльную пленку, натянутую на каркас с подвижной нижней планкой mn. (рисунок 4.2).

Силы поверхностного натяжения F_п , действующие вдоль контура mn, стремятся сократить поверхность пленки, чтобы переместить планку mn на расстояние ΔX, следует приложить силу F=2 F_п (так как пленка имеет две поверхности: переднюю и заднюю). При этом площадь увеличивается на величину

ΔS=2lΔX,                                                                 (4.1)

а совершаемая работа

A=FΔS=2F_пΔX.                                                    (4.2)

Коэффициент поверхностного натяжения равен

σ=A/ΔS=2F_п ΔX/2lΔX=F_п /l.                                                             (4.3)

 

 

 

Рисунок 4.2

 

Таким образом, коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины контура:

σ =F_п /l.                                                                               (4.4)

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости и ее температуры, но не зависит от формы и размеров поверхности. Единицы его измерения в СИ - ньютон на метр, в системе СГС - дина на сантиметр.

В диагностических целях определяют коэффициент поверхностного натяжения мочи, который в норме составляет 70 дин/см. и при наличии в моче желчных пигментов значительно снижается.

Поверхностное натяжение растворов отличается от поверхностного натяжения чистых жидкостей. Например, для воды сахар повышает , а поваренная соль и другие электролиты его понижают. Вещества, которые в самой малой концентрации значительно снижают поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными.

Поверхностно-активными, как правило, являются вещества, способные адсорбироваться на поверхности жидкости, образуя мономолекулярный слой, в котором действуют молекулярные силы, отличные от чистой жидкости. Адсорбционные силы, вытесняющие молекулы поверхностно-активного вещества на поверхность растворителя, противодействуют силам, втягивающим молекулы растворителя в глубину жидкости, которые и образуют поверхностное натяжение. Поэтому поверхностное натяжение значительно снижается. Поверхностно-активные вещества содержатся как в соках растений, так и во многих жидких средах животных организмов.