Метод отрыва кольца

С явлением поверхностного натяжения неразрывно связаны также явления смачивания и несмачивания. В отличие от молекул газов, молекулы твердых тел также могут испытывать притяжение со стороны молекул жидкостей. В жизни мы можем неоднократно наблюдать поведение капель разных жидкостей при попадании их на поверхность различных твердых тел. Одни из них растекаются по поверхности (рис. 4), другие, напротив, собираются в шарики (рис. 5).

 

Рис. 4. Пример смачивания поверхности твердого тела жидкостью	Рис. 5. Пример несмачивания поверхности твердого тела жидкостью

 

Причина, по которой различные жидкости растекаются или не растекаются на поверхности различных твердых тел, заключается в следующем. В месте контакта жидкости с поверхностью твердого тела на молекулы жидкости начинают действовать силы притяжения со стороны молекул твердого тела (из числа молекул, входящих в сферу молекулярного действия). В случае, если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказываются больше, чем силы притяжения между молекулами внутри жидкости, мы наблюдаем явление смачивания (рис. 6).

В том же случае, если силы притяжения между молекулами жидкости и твердого тела оказываются меньше сил притяжения между молекулами внутри жидкости, наблюдается явление несмачивания (рис. 7).

Рис. 6. Механизм смачивания: – рассматриваемая молекула; – молекулы жидкости, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы твердого тела, входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу

 

Рис. 7. Механизм несмачивания: – рассматриваемая молекула; – молекулы жидкости, входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы, не входящие в сферу молекулярного действия; – молекулы твердого тела, входящие в сферу молекулярного действия; – силы притяжения, действующие на рассматриваемую молекулу

 

Явления смачивания и несмачивания численно характеризуются так называемым краевым углом Θ – углом между поверхностью твердого тела и касательной к поверхности жидкости в точке раздела фаз «газ – жидкость – твердое тело». Как видно из рис. 6, 7, при смачивании краевой угол острый (0⁰ > Θ > 90⁰), при несмачивании – тупой (90⁰ > Θ > 180⁰).

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения с помощью отрыва кольца основан на совершении работы против сил поверхностного натяжения. Если кольцо, смачиваемое исследуемой жидкостью, погрузить в нее, то за счет возникающего межмолекулярного притяжения, жидкость «прилипнет» к кольцу (с внутренней и внешней стороны). Если затем кольцо начать вытаскивать из жидкости, силы поверхностного натяжения будут увлекать жидкость вслед за кольцом, не позволяя кольцу оторваться от жидкости. Измерив эти силы (например, при помощи пружинных весов), можно определить коэффициент поверхностного натяжения.

Пружинные весы, используемые в данной работе, представляют собой пружину, к одному концу которой прикладывается измеряемая сила, тогда как другой конец пружины закреплен.

К свободному концу пружины подвешивается кольцо, смачиваемое исследуемой жидкостью. В положении равновесия указатель показывает некоторое значение h ₁. Кольцо приводится в соприкосновение с жидкостью.

Затем посредством винтового механизма начинают поднимать пружину за закрепленный конец. Из-за сил поверхностного натяжения кольцо не отрывается от поверхности жидкости; пружина растягивается, и сила упругости увеличивается. Очевидно, что в каждом положении сила упругости, действующая со стороны пружины, уравновешивается силой тяжести и силой поверхностного натяжения. Когда сила упругости становится больше, кольцо отрывается. В момент отрыва кольца указатель показывает значение h ₂. При этом выполняется условие:

 

, (5)

где m – масса кольца, F_упр – сила упругости, а F_н – сила поверхностного натяжения, равная, согласно (4) F_п.н.= al. Контур, охватываемый жидкостью в момент отрыва кольца, представляет собой две концентрические окружности – внешнюю и внутреннюю стороны кольца (рис. 8).

Длина этого контура

l = p (D₁ + D₂), (6)

где D₁ и D₂ – внешний и внутренний диаметры кольца соответственно. Сила же упругости, как известно из закона Гука, пропорциональна растяжению:

F_упр = k|Δx|, (7)

где k – жесткость пружины, подлежащая определению, Δx – растяжение пружины.

 

Рис. 8. Взаимодействие кольца и смачивающей его жидкости

 

Для определения k проводится следующий эксперимент. Кольцо с помощью винта опускают до соприкосновения с жидкостью и фиксируют положение указателя x₀. Затем кольцо поднимают над поверхностью жидкости на 10–15 мм и крепят к кольцу груз массой 2 г (P = 19,6×10^-3 Н), после чего опять опускают винтом до соприкосновения с жидкостью. Фиксируют положение указателя x₁. Так как во втором случае пружина растягивается не только подвешенным кольцом, но еще и прикрепленным грузом, ясно, что

 

P = k |x₀ – x₁| = k |Δx|. (8)

Из (8) следует, что

. (9)

Определим теперь коэффициент поверхностного натяжения a. Из (4), учитывая (5), (6), (7) и (9), получим:

 

. (10)

Это окончательная формула для вычисления коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца.