Теория метода и описание установки

 

Поверхностное натяжение жидкости обусловлено действием молекулярных сил. Жидкости, как и твердые и газообразные тела, состоят из молекул, между которыми действуют молекулярные силы сцепления. Эти силы весьма быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. На расстоянии см силы становятся столь незначительными, что ими можно пренебречь; это предельное расстояние называется радиусом сферы молекулярного действия.

Если молекула М занимает положение, при котором вся сфера ее молекулярного действия заполнена другими молекулами той же жидкости, то относительно молекулярных сил, действующих на нее, она находится в равновесии, так как равномерно притягивается во все стороны. Это равновесие нарушается, когда молекула находится у поверхности жидкости на глубине, меньшей радиуса молекулярного действия (например, молекула М ). Нижняя половина сферы заполнена жидкостью, тогда как часть верхней полусферы заполнена воздухом и паром, имеющими меньшую плотность. Поэтому притяжение со стороны нижележащих молекул будет больше, а равнодействующая всех действующих на молекулу М молекулярных сил направлена внутрь жидкости нормально к ее поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Благодаря этому поверхностный слой давит с большей силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление. Это давление очень велико (для воды, например, около ).

 

 

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии сравнительно с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эта избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией или просто поверхностной энергией. Указанными свойствами поверхностного слоя обусловлено особое его состояние, которое подобно состоянию натянутой упругой пленки, стремящейся сократить свою поверхность до малых размеров. Это стремление жидкости сократить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действуют нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Для количественной характеристики силы поверхностного натяжения жидкости вводят коэффициент поверхностного натяжения , который численно равен силе F, действующей на единицу длины произвольной линии L, мысленно проведенной на поверхности жидкости:

(1)

В таком случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется .

Из рассмотрения свойств поверхностного слоя можно показать, что коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхностной энергии W, рассчитанной на единицу площади поверхности жидкости S:

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения измеряется в .

Коэффициент поверхностного натяжения различен для разных жидкостей. Он зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры) и от степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения).

Существует ряд методов определения коэффициента поверхностного натяжения.

В настоящей работе определение коэффициента поверхностного натяжения производится по методу счета капель.

Рассмотрим образование капель при медленном вытекании жидкости из вертикальной трубки. Поверхностное натяжение не позволяет жидкости сразу вылиться из трубки. По мере вытекания жидкости поверхностная пленка капли увеличивается и получается сужение (образуется шейка).

Когда сила тяжести Р, действующая на каплю, станет несколько больше силы поверхностного натяжения, действующей по окружности перетяжки, капля оторвется. Для момента отрыва запишем:

; ; P = F; ; отсюда

найдем коэффициент поверхностного натяжения:

(2)

Формула (2) является расчетной для коэффициента поверхностного натяжения; в ней m – масса капли; g=9,8 - ускорение силы тяжести; d – диаметр капилляра бюретки.