Поверхностная энергия жидкости

Молекулы в жидкости обладают кинетической энергией теплового движения и потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости к поверхности надо совершить работу по преодолению силы молекулярного давления. Эта работа совершается молекулой за счет запаса кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. Поэтому молекулы поверхностного слоя обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами внутри жидкости. Эта дополнительная потенциальная энергия, которой обладают молекулы поверхностного слоя, называется поверхностной энергией.

Если поверхность жидкости растянуть, то на поверхность будут выходить все новые молекулы, и потенциальная энергия поверхностного слоя будет увеличиваться. Следовательно, поверхностная энергия пропорциональна площади самой поверхности жидкости (рис.4).

 

, (2)

 

где А – работа силы поверхностного натяжения; F – сила поверхностного натяжения; D x – растяжение пленки; D S – изменение площади поверхности пленки.

Из этого выражения можно дать еще одно определение коэффициента поверхностного натяжения.

Коэффициент поверхностного натяжения равен свободной поверхностной энергии, приходящейся на единицу площади поверхности. В этом случае единица измерения [a]=[Дж/м²].

Большое влияние на поверхностное натяжение оказывают находящиеся в жидкости примеси. Например, мыло, растворенное в воде, уменьшает коэффициент поверхностного натяжения до 0,045 Н/м, а сахар или соль повышают. Изменяющие поверхностное натяжение вещества называют поверхностно – активными. К ним можно отнести нефть, мыло, спирт.. Это явление объясняется межмолекулярным взаимодействием между молекулами. Если взаимодействие между молекулами самой жидкости больше, чем между молекулами жидкости и примеси, то молекулы примеси выталкиваются на поверхность и концентрация примеси на поверхности оказывается больше; чем в объеме, что и приводит к уменьшению поверхностного натяжения.

Поверхностно–активные вещества широко применяют при резке металлов, бурении горных пород, и т.д., так как разрушение горных пород в их присутствии происходит легче, адсорбируясь на поверхности твердого тела, они проникают внутрь микротрещин и способствуют дальнейшему развитию этих трещин вглубь.

Описание установки и выполнение работы

В данной работе определяют коэффициент поверхностного натяжения методом отрыва кольца от поверхности, смачивающей ее жидкости.

Лабораторная установка (рис.5) представляет собой торсионные весы, к которым подвешено тонкое кольцо. Под кольцом расположен сосуд с исследуемой жидкостью. Кольцо с известными размерами опускают в исследуемую жидкость.

Поворачивая рычаг весов, отрывают кольцо из жидкости. В момент отрыва рычаг весов останавливают и измеряют силу отрыва кольца, которая по сути является силой разрыва поверхностной пленки. Разрыв происходит по двум линиям: по внешнему диаметру и внутреннему. Поэтому, суммарная линия отрыва будет равна

 

.

 

Поскольку проще замерять внешний диаметр и толщину то d₂=d₁–2h

 

.

 

Тогда коэффициент поверхностного натяжения будет равен

 

 

№	F, H	d 1, м	h, м	a, H/м	Da, H/м
Среднее значение

 

Задачи

1. При определении силы поверхностного натяжения капельным методом число капель глицерина, вытекающего из капилляра, составляет n =50. Общая масса глицерина m =1 кг, а диаметр шейки капли в момент отрыва d =1 мм. Определите коэффициент поверхностного натяжения глицерина.

Ответы: 1) 72,3 мН/м; 2) 52 мН/м; 3) 62,3 мН/м; 4) 62,5 мН/м; 5) 43,4 мН/м;

 

2. Тонкое кольцо радиусом 7,8 см соприкасается с мыльным раствором. Каким усилием можно оторвать кольцо от раствора? Температуру раствора считать комнатной. Масса кольца 7 г.

Ответы: 1) 1,32 Н; 2) 0,11 Н; 3) 0,42 Н; 4) 0,33 Н; 5) 0,25 Н.

3. Какую массу имеет капля воды, вытекающая из стеклянной трубки диаметром 1 мм? Считать диаметр капли равным диаметру шейки трубки.

Ответы: 1) 2,25^.10^–5 кг; 2) 7,2^.10^–4 кг; 3) 8,3^.10^–3 кг; 4) 3,5^.10^–5 кг; 5) 4,2^.10^–5 кг.

 

4. Какую энергию необходимо затратить на образование поверхности мыльного пузыря радиусом 6 см при постоянной температуре?

Ответы: 1) 2,8^.10^–3 Дж; 2) 0,77^.10^–2 Дж; 3) 3,6^.10^–3 Дж; 4) 0,92^.10^–3 Дж; 5) 7^.10^–3 Дж.

 

5. При измерении коэффициента поверхностного натяжения мыльного раствора при 15⁰С использовали динамометр и проволочное кольцо диаметром 12 см и массой 20 г. При отрыве кольца от поверхности жидкости динамометр показал усилие 0,227 Н. Какой коэффициент поверхностного натяжения получен в результате опыта?

Ответы: 1) 0,047 Н/м; 2) 0,04 Н/м; 3) 0,053 Н/м; 4) 0,072 Н/м; 5) 0,080 Н/м.

 

6. Капилляр с внутренним радиусом 2 мм опущен в жидкость. Найти коэффициент поверхностного натяжения жидкости, поднявшейся в капилляре, если ее масса равна 9^.10^–5 кг.

Ответы: 1) 22^.10^–3 Н/м; 2) 62^.10^–3 Н/м; 3) 70^.10^–3 Н/м; 4) 40^.10^–3 Н/м; 5) 73^.10^–3 Н/м.

 

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой жидкости, твердые и газообразные вещества?

2. Чем обусловлено внутреннее давление в жидкости?

3. Как возникает сила поверхностного натяжения? Куда она направлена?

4. Физический смысл коэффициента поверхностного натяжения.

5. Почему поверхностный слой обладает избыточной энергией?

6. Вывод рабочей формулы.

7. Поверхностно-активные вещества.

8. Зависит ли поверхностное натяжение от температуры жидкости и как?

9. Имеют ли газы поверхностное натяжение?

 

Литература

 

4. Савельев И. В. Курс общей физики, т. 1. М.: Наука, 1989. с.331–337.

5. Трофимовa Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2002, с.128–130.

 

Лабораторная работа 1.15