В в е д е н и е

Жидкое состояние является промежуточным между твердой и газообразной фазами. Характер теплового движения молекул в жидкостях существен­но отличается от движения молекул как в газах, так и в твердых телах. В газах среднее расстояние между соседними молекулами значительно больше их диаметра. Поэтому при тепловом движении молекулы движутся хаотически. В твердых кристаллических телах молекулы расположены в правильном периодическом порядке и сос­тавляют кристаллическую решетку. Этот порядок сохраняется на далекие расстояния (миллионы молекулярных расстояний). Такой порядок называется "дальним порядком". Тепловое движение моле­кул в твердых телах сводится к их колебаниям около положения равновесия. В жидкостях расстояние между соседними молекулами несколько больше, чем у кристаллов, в связи с чем молекулы жид­кости могут отходить от своих правильных положений, расстраивая идеальный порядок, свойственный кристаллам. Молекулы жидкости связаны силами Ван-дер-Ваальса, которые, с одной стороны, недостаточны для осуществления постоянной и прочной структуры, однако, с другой стороны, под их действием молекулы уже не могут сохранять той самостоятельности и подвижности, которые характерны для газов. Тепловое движение молекул в жидкости сводится к тому, что они большую часть вре­мени колеблются около своих положений равновесия. С увеличением температуры возрастает амплитуда колебаний, а также частота пе­рескоков в новое состояние равновесия. Поскольку расстояния между соседними молекулами в жидкости все-таки малы, то в жид­кости сохраняется так называемый "ближний порядок", т.е. поря­док в расположении ближайших соседей какой-либо молекулы. Этот порядок размывается по мере удаления от данной молекулы, иными словами, силы сцепления молекул весьма быстро убывают с увеличением расстояния между молекулами. На расстоянии 10^-7 см силы становятся столь незначительными, что ими можно пренебречь. Это предельное расстоя­ние называется радиусом молекулярного действия.

Поверхностный слой жидкости обладает свойством сокращаться. Этим объясняется тот факт, что жидкость, свободная от действия других сил, принимает форму шара (форму с минимальной поверхностью). Особенности поверхностного слоя можно объяснить с двух позиций: 1 -энергетической и 2 - динамической.

1. Молекулы жидкости, выходя на поверхность, совершают работу против сил (со стороны остальных молекул), стремящихся вернуть молекулы обратно внутрь жидкости. Эта работа переходит в запас потенциальной энергии молекулы поверхностного слоя. Поверхностный слой обладает запасом потенциальной энергии, пропорциональной размерам поверхности. Любая система стремится к такому состоянию, при котором ее потенциальная энергия поверхностного слоя будет минимальна, т.е. принимает форму с минимальной энергией. Если над жидкостью имеются пары, то работа выхода молекулы на поверхность будет уменьшаться с ростом упругости пара (т.е. с ростом температуры). При критической температуре, когда плотности жидкости и пара неразличимы, работа выхода молекулы равна нулю: поверхностного слоя нет.

2. Если молекула занимает положение I, при котором вся сфера ее 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 II на рис. 1). На молекулу поверхностного слоя действуют молекулы жидкости и пара, причем со стороны пара эти силы невелики, так как плотность пара (а следовательно, концентрация молекул) меньше, чем у жидкости. Каждую силу можно разложить на две составляющие: по нормали к поверхности и вдоль последней. Сумма составляющих сил, направленных перпендикулярно поверхности, определит силу давления поверхностного слоя на жидкость; сумма касательных составляющих дает силу, действующую вдоль поверхности жидкости. Силы, действующие по касательной, называют силами поверхностного натяжения. Именно они обусловливают сокращение поверхности. Эта сила пропорциональна числу молекул, прилегающих к контуру, которое, в свою очередь, пропорционально длине контура.

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

s = . (1)

Коэффициент поверхностного натяжения s зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с ростом последней), от степени чистоты поверхности, меняясь от малейшего загрязнения. Выражение для определения s можно представить и в несколь­ко иной форме. Если числитель и знаменатель в (1) умножим на l, то получим

s = . (2)

В этом случае коэффициент поверхностного натяжения s численно равен работе, которую нужно затратить для увеличения поверхнос­ти жидкости на единицу площади. В системе СИ коэффициент по­верхностного натяжения s измеряется в Н×м^-1 или в Дж×м^-2.

Существует много способов определения величины коэффициента поверхностного натяжения. В настоящей работе предлагается определить коэффициент поверхностно­го натяжения для воды и мыльного раствора методом отрыва кольца.

Сущность метода состоит в том, что поверхностное натяжение можно определить путем измерения силы, которую нужно приложить перпендикулярно к поверхности жидкости для отрыва кольца от этой поверхности. Поскольку отрываемое кольцо смачивается жид­костью, то вместе с ним поднимается количество жидкости, т.е. будет увеличиваться свободная поверхность жидкости. Вследствие стремления этой жидкости сократиться возникает сила поверхност­ного натяжения. Если сила, действующая на тело, равна по величи­не силе поверхностного натяжения, то тело отрывается от жидкости.

Рассмотрим кольцо с наружным диа­метром D и толщиной d, касающееся поверхности жидкости (рис. 2). При поднятии кольца над поверхностью жидкости между кольцом и поверх­ностью воды образуется пленка. Внешняя поверхность этой пленки тянет кольцо вниз с силой s×p×D, внутренняя поверхность также тянет вниз с силой s×p×(D-2d).

Результирующая сила, удерживающая кольцо, равна:

s×p×D + s×p×(D – 2d) = 2s×p×(D – d) (3)

В момент отрыва кольца

F = 2s×p×(D – d),

откуда

s = . (4)