Поверхностное натяжение. Энергетический и динамический смысл коэффициента поверхностного натяжения. Методы определения.

Поверхностное натяжение, важнейшая термодинамическая характеристика поверхности раздела фаз (тел), определяемая как работа обратимого изотермического образования единицы площади этой поверхности. В случае жидкой поверхности раздела Поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз. Применительно к легкоподвижным поверхностям оба определения равнозначны, но первое предпочтительнее, т.к. имеет более ясный физический смысл. Поверхностное натяжение на границе двух конденсированных фаз обычно называется межфазным натяжением. Работа образования новой поверхности затрачивается на преодоление сил межмолекулярного сцепления (когезии) при переходе молекул вещества из объёма тела в поверхностный слой. Равнодействующая межмолекулярных сил в поверхностном слое не равна нулю (как в объёме тела) и направлена внутрь фазы с большей когезией. Таким образом, Поверхностное натяжение - мера некомпенсированности межмолекулярных сил в поверхностном (межфазном) слое или, что то же, избытка свободной энергии в поверхностном слое по сравнению со свободной энергией в объёмах соприкасающихся фаз. В соответствии с определениями Поверхностное натяжение его выражают в дж/м2 или н/м (эрг/см2 или дин/см). σ — коэффициент поверхностного натяжения. σ зависит от температуры (с увеличением температуры σ уменьшается), зависит от химического состава жидкости. Подвижная сторона проволочной рамки в равновесии под действием внешней силы и результирующей сил поверхностного натяжения .Силы поверхностного натяжения стремятся сократить поверхность пленки. Для равновесия подвижной стороны рамки к ней нужно приложить внешнюю силу . Если под действием силы перекладина переместиться на Δx, то будет произведена работа ΔA_внеш = F_внешΔx = ΔE_p = σΔS, где ΔS = 2LΔx – приращение площади поверхности обеих сторон мыльной пленки. Так как модули сил и одинаковы, можно записать:

Коэффициент поверхностного натяжения σ может быть определен как модуль силы поверхностного натяжения, действующей на единицу длины линии, ограничивающей поверхность. Поверхностные свойства жидкостей – обусловлены тем, что молекулы жидкостей находятся на поверхности и окружены такими же молекулами не со всех сторон: . A – работа, совершенная, по увеличению площади поверхности, σ — коэффициент поверхностного натяжения. σ зависит от температуры (с увеличением температуры σ уменьшается), зависит от химического состава жидкости.

Способы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя. Статические методы: метод поднятия в капилляре, метод Вильгельми, метод лежачей капли, метод определения по форме висячей капли, метод вращающейся капли. Динамические методы: метод Дю Нуи (метод отрыва кольца), метод счета капель, метод максимального давления пузырька. Определение поверхностного натяжения методом максимального давления в газовом пузырьке. Метод состоит в том, что в исследуемую жидкость через капилляр вдувается воздушный пузырек. Давление воздуха (P), которое нужно для отрыва пузырька от капилляра является искомой величиной, которая используется для дальнейшего расчета коэффициента поверхностного натяжения.