Поверхностное натяжение раствора можно увеличить определенным образом укажите как можно это сделать

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

Поверхностная энергия. Рассмотрим явления, происходящие на границе раздела жидкости с воздухом или её паром.

В поверхностном слое жидкости проявляется нескомпенсированность молекулярных сил притяжения. В самом деле, любая молекула внутри жидкости со всех сторон окружена соседними (одинаковыми) молекулами, действие которых взаимно компенсируется (см. рис. 54 ). Поэтому здесь молекулярные силы притяжения уравновешиваются и результирующая этих сил равна нулю. Так как концентрация молекул в воздухе (паре) значительно меньше, чем в жидкости, то результирующая сил притяжения каждой молекулы поверхностного слоя молекулами газа меньше результирующей сил её притяжения молекулами жидкости. Таким образом, результирующие сил притяжения, действующих на молекулы поверхностного слоя, направлены внутрь жидкости. Под действием этих сил часть молекул поверхностного слоя втягивается внутрь, число молекул на поверхности уменьшается и площадь поверхности жидкости сокращается до определённой величины.

Толщина поверхностного слоя, в котором проявляется нескомпенсированность сил молекулярного притяжения, приблизительно равна радиусу сферы молекулярного действия (1 нм). Под действием сил межмолекулярного притяжения и вследствие текучести жидкости на её поверхности остаётся такое количество молекул, при котором площадь поверхности минимальна для данного объёма свободной жидкости, т. е. находящейся только под воздействием силы тяжести. Процесс сокращения площади поверхности на этом прекращается, поверхность жидкости остаётся неизменной. В этом состоянии силы притяжения молекул поверхностного слоя, направленные внутрь жидкости, в среднем уравновешиваются силами отталкивания, возникшими при сближении молекул поверхностного слоя с молекулами внутри жидкости, вызванном её сжатием.

Если молекула переместится с поверхности внутрь жидкости, силы межмолекулярного притяжения совершат положительную работу. Наоборот, чтобы переместить молекулу, расположенную внутри жидкости, на поверхность (увеличить площадь поверхности жидкости), внешние силы должны совершить положительную работу δA_внеш, пропорциональную изменению площади поверхности ΔS. Поверхностный слой состоит из таких же молекул, что и вся жидкость. Отличие лишь в том, что молекулы поверхностного слоя обладают избыточной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Эту энергию называют поверхностной энергией Е_пов.

Поверхностная энергия пропорциональна площади свободной поверхности жидкости:

где σ — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом поверхностного натяжения или, кратко, поверхностным натяжением.

Поверхностное натяжение — физическая величина, равная работе внешних сил по увеличению площади поверхности жидкости на единицу площади при сохранении объёма и температуры жидкости неизменными:

Так как потенциальная энергия тела (системы тел) в состоянии устойчивого равновесия минимальна, то наличие поверхностной энергии Е_пов у жидкости обусловливает её стремление к сокращению площади S своей поверхности.

Почему волоски кисточки для рисования красками слипаются после того, как её вынули из воды?

Минимальную площадь поверхности при данном объёме имеют шарообразные тела. Например, капли воды при соприкосновении сливаются в одну, форма которой отличается от сферической из-за воздействия силы тяжести и силы реакции опоры. Чем меньше радиус капли, тем большую роль играет поверхностная энергия по сравнению с потенциальной энергией капли в гравитационном поле Земли и тем ближе форма капель жидкости на опоре к сферической. Поэтому маленькие капельки росы на листьях растений принимают форму, близкую к шарообразной ( рис. 54.1 ).

Докажите, что при слиянии нескольких капель воды в одну при неизменной температуре выделяется энергия.

Подсказка. Считая форму капель сферической, сравните поверхностную энергию всех мелких капель с поверхностной энергией энергией капли, получившейся при их слиянии. Учтите, что объём шара , а площадь его поверхности .

В том, что жидкость стремится принять форму, при которой площадь её поверхности на границе с газом будет минимальной, можно убедиться на опыте. Опустим проволочное кольцо с привязанной к нему нитью в мыльный раствор. Контур кольца, извлечённого из раствора, затянут мыльной плёнкой, а нить в ней размещается случайным образом ( рис. 54.2, а ). Если проколоть плёнку по одну сторону нити, то оставшаяся часть плёнки сократится так, что площадь её поверхности станет минимальной при заданной длине нити ( рис. 54.2, б ). Следовательно, на нить со стороны плёнки действуют силы, удерживающие её в натянутом состоянии и стремящиеся сократить свободную поверхность жидкости.

Силы поверхностного натяжения. Рассмотрим молекулы М₁ и М₂, находящиеся на поверхности жидкости ( рис. 54.3 ). Эти молекулы взаимодействуют не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами, расположенными на её поверхности в пределах сферы молекулярного действия. Модуль результирующей молекулярных сил притяжения, направленных вдоль поверхности жидкости, действующих на молекулу М₁, . Модуль же результирующей молекулярных сил притяжения, которыми молекулы этой жидкости, находящиеся на её поверхности, действуют на молекулу М₂, разместившуюся у края поверхности, . Результирующая направлена по касательной к свободной поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность.

Молекулярные силы, направленные по касательной к свободной поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию, ограничивающую эту поверхность, перпендикулярно ей таким образом, что стремятся сократить площадь ограниченной поверхности жидкости. Эти силы получили название сил поверхностного натяжения.

Рассмотрим ещё один опыт. Прямоугольную рамку с подвижной перекладиной длиной l опустим в мыльный раствор. После извлечения рамки из раствора видим, что перекладина перемещается, так как мыльная плёнка стремится сократить площадь своей поверхности. Чтобы перекладину удержать в равновесии, к ней следует приложить силу , которая уравновесит действующие на каждой из двух поверхностей плёнки силы поверхностного натяжения: , так как ( рис. 54.4 ). Если проводить опыты с рамками разных размеров, можно установить, что отношение для плёнки данной жидкости при фиксированной температуре всегда одинаковое.

Значит, это отношение можно взять в качестве характеристики поверхностного слоя жидкости, т. е. поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение — физическая величина, равная отношению модуля силы поверхностного натяжения, действующей на прямолинейный участок границы поверхностного слоя жидкости, к длине этого участка:

Силовое определение поверхностного натяжения дополняет энергетическое. Единицей поверхностного натяжения в СИ является джоуль на метр в квадрате () или ньютон на метр ().

Поверхностное натяжение зависит от рода жидкости и той среды, с которой она граничит, наличия растворённых в жидкости других веществ и от её температуры (таблица 1). Повышение температуры жидкости, добавление в неё так называемых поверхностно-активных веществ (мыло, жирные кислоты) вызывает уменьшение поверхностного натяжения. В таблице 1 приведены значения поверхностного натяжения воды при различных температурах и при добавлении в неё мыла.

Таблица 1

Вещество
Вода ( 0 °C )	75,6
Вода ( 20 °C )	72,8
Вода ( 374,15 °C )	0
Раствор мыла ( 20 °C )	40

Проявления поверхностного натяжения удивительно многообразны. Поверхностное натяжение играет существенную роль в явлениях природы, биологии, медицине, в различных современных технологиях, полиграфии, технике, в физиологии нашего организма.

Поверхностное натяжение приводит к тому, что вода собирается в капли ( рис. 55 ), образуются мыльные пузыри ( рис. 56 ), жук-водомерка передвигается по поверхности воды ( рис. 57 ), а в состоянии невесомости любой объём свободной жидкости принимает сферическую форму.

1. Какие явления происходят на границе раздела жидкости с воздухом или её паром?

2. Как определяют поверхностное натяжение жидкости?

3. Почему площадь свободной поверхности жидкости стремится стать минимальной?

4. Какова природа и особенности сил поверхностного натяжения?

5. От чего зависит поверхностное натяжение?

Тонкостенное кольцо массой m = 8,0 г и радиусом r = 10 см соприкасается с мыльным раствором ( рис. 57.1, а ). Кольцо изготовлено из материала, хорошо смачиваемого мыльным раствором. Определите модуль силы, которой надо подействовать на кольцо, чтобы оторвать его от поверхности раствора ( рис. 57.1, б ). Поверхностное натяжение мыльного раствора .

Условие равновесия кольца в проекции на ось Оу непосредственно перед его отрывом от раствора, как следует из рисунка 57.1, в, имеет вид:

Упражнение 5.1

1. Поверхностное натяжение мыльного раствора . Определите работу, которую нужно совершить, чтобы выдуть мыльный пузырь диаметром d = 12 см .

2. Рамку с подвижной перекладиной длиной l = 15 см опустили в мыльный раствор. Вынув рамку из раствора, перекладину перемещают на расстояние d = 8,0 см ( рис. 57.2 ). Определите модуль силы, действующей на перекладину со стороны мыльной плёнки, и работу по преодолению силы поверхностного натяжения при её перемещении. Поверхностное натяжение мыльного раствора .

3. Проволочка диаметром d = 0,12 мм подвешена вертикально к чашке весов и частично погружена в сосуд с водой. Определите модуль силы, дополнительно действующей на чувствительные весы из-за того, что вода полностью смачивает проволочку. Поверхностное натяжение воды .

4. Из пипетки, диаметр отверстия которой d = 1,8 мм , вытекло N = 24 капли воды. Определите объём воды, вытекшей из пипетки. Плотность и поверхностное натяжение воды и соответственно.

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Урок 21. Лабораторная работа № 05. Измерение поверхностного натяжения жидкости (отчет)

Лабораторная работа № 5

Цель: определить коэффициент поверхностного натяжения воды методом отрыва капель.

Оборудование: сосуд с водой, шприц, сосуд для сбора капель.

Выполнение работы.

опыта

Масса капель

m, кг

Число капель

Диаметр канала шприца

d, м

Поверхност-ное натяжение

σ, Н/м

Среднее значение поверхностного натяжения

Табличное значение
поверхност-ного натяжения

Относительная погрешность

δ %

Вычисляем поверхностное натяжение по формуле

Находим среднее значение поверхностного натяжения по формуле:

Определяем относительную погрешность методом оценки результатов измерений.

Вывод: я измерил поверхностное натяжение жидкости (воды), оно получилось равным 0,069 Н/м, что с учетом погрешности 4,167% совпадает с табличным значением.

Ответы на контрольные вопросы.

1. Почему поверхностное натяжение зависит от рода жидкости?

Поверхностное натяжение зависит от силы притяжения между молекулами. У молекул разных жидкостей силы взаимодействия разные, поэтому поверхностное натяжение разное. Также поверхностное натяжение зависит от наличия примесей в жидкости, потому что, чем сильнее концентрация примесей в жидкости, тем слабее силы сцепления между молекулами жидкости. Следовательно, силы поверхностного натяжения будут действовать слабее.

2. Почему и как зависит поверхностное натяжение от температуры?

Если температура увеличивается, то скорость движения молекул соответственно увеличивается, а силы сцепления между молекулами - уменьшаются. т.е силы поверхностного натяжения зависят от температуры. Чем температура жидкости выше, тем слабее силы поверхностного натяжения.

3. Изменится ли результат вычисления поверхностного натяжения, если опыт проводить в другом месте Земли?

Изменится незначительно, т.к. в формулу входит величина g - ускорения свободного падения. А мы знаем, что в разных точках Земли ускорение свободного падения различно. Реальное ускорение свободного падения на поверхности Земли зависит от широты, времени суток и других факторов. Оно варьирует ся от 9,780 м/с² на экваторе до 9,832 м/с² на полюсах.

4. Изменится ли результат вычисления, если диаметр капель трубки будет меньше?

Изменение диаметра трубки не может приводить к изменению измеряемой величины. Для определения поверхностного натяжения используется формула .

По рисунку видно, что уменьшение диаметра трубки компенсируется уменьшением массы капли, а поверхностное натяжение, естественно, останется тем же.

5. Почему следует добиваться медленного падения капель?

При вытекании жидкости из капиллярной трубки размер капли растет постепенно. Перед отрывом капли образуется шейка, диаметр d которой несколько меньше диаметра d1 капиллярной трубки. По окружности шейки капли действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю. По мере увеличения размера капли растет сила тяжести mg, стремящаяся оторвать ее. В момент отрыва капли сила тяжести равна результирующей силе поверхностного натяжения F = πdσ.

Необходимо, чтобы капли отрывались от трубки самостоятельно, под действием силы тяжести. Если падение капель будет быстрым при дополнительном нажатии на поршень шприца, то в момент отрыва капли сила тяжести не будет равна силе поверхностного натяжения и данный метод даст большую погрешность измерения.

Физические свойства воды своеобразны. Вода одна из веществ, которая существует в трех агрегатных состояниях: лед, вода, пар, которая обладает удивительными свойствами и уникальной структурой.

Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой воды от давления: в области сравнительно низких давлений при температурах до 30ºС вязкость с ростом давления уменьшается. Жидкая вода и лёд являются диэлектриками.

Вода ценнейший природный ресурс. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производствах. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей.

Здоровье человека и качество воды, которую он потребляет для обеспечения своей жизнедеятельности, связаны напрямую. Огромное количество исследований, проведённых учёными разных стран, доказывает, что существует прямая связь между качеством питьевой воды и продолжительностью жизни людей. По данным Всемирная организация здравоохранения почти 90% всех болезней человечества вызвано применением для различных бытовых нужд и питья именно некачественной воды. Поэтому повышение качества воды является актуальной проблемой современности [1].

Качество воды характеризуется ее температурой, содержанием в ней взвешенных веществ, ее цветностью, запахом, привкусом, жесткостью, содержанием отдельных химических элементов и соединений, активной реакцией и другими показателями.

Обзор литературы показывает, жесткая вода из-за чрезмерного употребления оказывает вред здоровью:

- способствует росту мочевых камней и развитию мочекаменной болезни. Это связано с накоплением солей, которые просто не успевают выводиться из организма;

- замедляется процесс приготовления пищи, из-за многочисленных солей плохо разваривается мясо. Это приводит к плохому усвоению белка и может вызвать заболевания желудочно-кишечного тракта;

Жидкие растворы на основе воды не полностью изучены, либо отсутствуют физико-химические характеристики (например, проводимость электрического тока, сопротивление, зависимость проводимости и сопротивления от температуры, поверхностное натяжение, вязкость и т.д.) [3,4].

Влияние примесей на поверхностное натяжение и вязкость в жидких растворах изучено пока недостаточно.

Вместе с тем знание концентрационных зависимости поверхностного натяжения и вязкости позволят контролировать состав жидких растворов. Подобные экспресс-методы позволит оптимизировать методику оценки качества питьевой воды.

Актуальность исследования

Коэффициент поверхностного натяжения воды из под крана очень большой, это объясняется жесткостью воды. Самым низким поверхностным натяжением обладает родниковая и дистиллированная вода. Для понижения жесткости воды нужно ее смягчать с помощью поверхностно-активных веществ. При добавлении в воду ПАВ поверхностное натяжение, вязкость и другие физико-химические свойства жидкости изменяются. Поэтому с помощью поверхностно-активных примесями можно управлять этими процессами, соответственно можно получать необходимые жидкие растворы с заданными свойствами.

Поэтому проблема улучшения качества питьевой воды является актуальным, потому что потребление воды ежегодно увеличивается в различных отраслях, а количество питьевой воды уменьшается.

Цель и задачи исследования - изучить влияние примесных атомов на физические свойства воды (поверхностное натяжение и вязкость):

приготовить различные жидкие растворы с малыми добавками на основе воды;
исследовать влияния малых добавок примесных атомов на поверхностное натяжение жидких растворов с помощью метода подсчета отрыва капель;
исследовать влияния малых добавок примесных атомов на вязкость жидких растворов на основе воды.

Объект исследования - местная вода, растительное масло, автомобильное масло лукойл 10W-30.

Методика измерения поверхностного натяжения

Метод измерения коэффициента поверхностного натяжения жидкости в работе основывается на наблюдении истечения жидкости из малого отверстия в сосуде [5].

В случае медленного вытекания жидкости из малого отверстия размер образующихся капель зависит от плотности жидкости, коэффициента поверхностного натяжения, размера и формы отверстия, а также от скорости истечения.

При медленном вытекании смачивающей жидкости из вертикальной цилиндрической трубки образующаяся капля имеет форму, показанную на рис. 1. Радиус r шейки капли можно считать примерно равным наружному радиусу трубки R.

Очевидно, что в момент отрыва капли массы m ее вес должен быть равен равнодействующей сил поверхностного натяжения, действующих по длине контура шейки капли в самой ее узкой части. Таким образом, можно записать

Подставляя величину радиуса шейки r из равенства (1) и решая его относительно σ, получим:

Для определения массы капли, необходимо измерить с помощью шкалы уменьшение объема жидкости в трубке бюретки при выпадении капель в количестве N. Тогда масса всей вытекшей жидкости , а масса отдельной капли m = М/N,

Подставляя последнее выражение в формулу (3) и вводя вместо радиуса трубки ее диаметр D, получим расчетную формулу:

где М – масса жидкости; g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с 2 ; N - число капель; D – диаметр капельницы, D = 2,28 мм.

Установка для определения коэффициента поверхностного натяжения (рис. 2) состоит из штатива, на котором установлена: шприц емкостью 20 мл, соединенная капельницей, сосуд для сбора жидкости.

С помощью штангенциркуля измеряют диаметр наконечника-трубки капельницы три раза и вычисляют среднее значение D. Добиваются, чтобы капли падали достаточно медленно (15–20 капель в минуту). Тогда можно считать, что отрывание капель происходит только под действием веса и точность измерения поверхностного натяжения считается более достоверным.

С помощью электронных весов определяем сперва массу сосуда m_o, затем подставляем установку собираем исследуемую жидкость (15–20 капель), снова на весах определяем массу сосуда с жидкостью m₁, затем определяем массу самой жидкости M = m₁ – m_o. Затем рассчитываем поверхностное натяжение по формуле (3).
Концентрацию полученного раствора рассчитывали по формуле:

где m пр – масса моющего средства, г; m – масса растворителя, г.

Определение вязкости жидкости по методу Стокса

На движущийся шарик в жидкости действуют три силы: сила тяжести F_Т, выталкивающая архимедова сила F_А и сила сопротивления F_С (рис.4) [8]. Силу тяжести и выталкивающую силу можно определить следующим образом:

где r– радиус шарика; ρ – плотность шарика; ρ_o – плотность жидкости.

Для тел сферической формы F_С определяют по формуле Стокса:

где η – вязкость жидкости; υ – скорость его равномерного движения. Скорость движения зависит от размеров движущегося тела и от вязкости жидкости.

Силя тяжести и выталкивающая сила постоянны. Сила сопротивления F_С прямо пропорциональна скорости и поэтому на начальном этапе она меньше силы тяжести, и шарик падает равноускоренно. При этом сила сопротивления увеличивается и наступает момент, когда все три силы уравновешиваются. Шарик начинает двигаться равномерно:

Описание установки

Для определения вязкости жидкости по методу Стокса берется высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью (рис. 3). На сосуде имеются две кольцевые метки А и В, расположенные на расстоянии l друг от друга. Рсстояние между метками можно изменять. Уровень жидкости должен быть выше верхней метки на l_o= 4–5 см, чтобы к моменту прохождения шарики мимо верхней метки его скорость можно было считать установившейся.

Рис. 3. Установка для измерения вязкости жидклсти

Бросая шарик в сосуд, отмечают время t прохождения шариком расстояния l = АВ между двумя метками.

Преобразуем формулу путем подстановки для скорости υ = l/t и замены радиуса шарика r диаметром d получим,

(4)

В случае непрозрачных жидкостей коэффициент вязкости жидкости можно измерить вискозиметром. В нашей работе мы оценивали вязкость методом подсчета капель падающих из трубки и рассчитывали по формуле (5).

Результаты исследования и их обсуждения

Результаты исследования поверхностного натяжения и вязкости жидких растворов представлены на рис. 4–13.

На рис. 4 представлены результаты исследования поверхностного натяжения водных растворов с малыми добавками неорганических моющих средств.

Как видно из рисунка 4 во всех исследуемых растворах поверхностное натяжение уменьшается при увеличении концентрации моющих средств. Обнаружено, что при концентрациях C > 0,4 % происходит насыщение раствора, при котором поверхностное натяжение остается неизменным.

На рис. 5–9 представлены результаты исследования влияния малых добавок примесных атомов (щелочей, спирта, глицерина) на вязкость жидких растворов на основе воды, спирта, глицерина и уксусной кислоты.

Из рисунков (6а,7,9) видно, что вязкость воды сильнее повышается при добавлении соли щелочей (NaOH, КOH), сахара, глицирина. Спирт наоборот понижает вязкость воды (рис.5а).

Если воду добавить в спирт и глицирин, то их вязкость понижается, следовательно вода по отношению к спирта и глицириана являются поверхностно-активными веществом (рис.5б,8).

Вязкость ксусной кислоты повышается если в нее добавить воду но не так заметно, как влияют сахар, глицирин и соли щелочей (рис.6б,8).

Такое поведение вязкости связано наверно со структурными изменениями в процессе расположения примесных атомов между молекулами жидкости (растворителя) и сил взаимодействия между между молекулами жидкости и примесями, приводящие к усилению (ослаблению) движущихся слоев, вследствие чего вязкость жидкости ослабевает (усиливается).

Рис. 5. Зависимость вязкости растворов от концентрации примеси,
вес. %: а – вода + спирт; б - спирт + вода.

Рис. 6. Зависимость коэффициента вязкости растворов от концентрации примеси,
вес. %: а – уксусная кислота + вода; б – вода + сахар.

Рис. 7. Зависимость коэффициента вязкости воды от концентрации примеси,
вес. %: 1 – вода +NaOH; 2 – вода + КОН

Рис. 8. Зависимость коэффициента вязкости глицерина от концентрации воды, вес. %.

Рис. 9. Зависимость коэффициента вязкости воды от концентрации глицерина, вес.%.

В данной работе мы также исследовали влияние примесей в малых количествах на скорость вытекания капель растворов моющих средств и воды из отверстия.

Из рис. 10 видно, что при добавлении воды в моющие средства, скорость вытекания капель увеличивается и изменяется по параболическому закону. Это связано с тем, что вязкость и поверхностное натяжение раствора уменьшается.

Если добавлять в воду моющие средства, спирт в малых количествах, скорость вытекания - растет, а затем начинает замедляться, доходя до насыщения раствора, число капель не изменяется (см. рис.11). Возможно, это связано с тем, что вязкость раствора увеличивается, несмотря на то, что уменьшается поверхностное натяжения раствора.

Рис. 12. Влияние органических веществ на вязкость растительного масла:
1 – бензина; 2 – глицерина; 3 – автомобильное масло лукойл 10W-30.

Рис. 13. Влияние органических веществ на вязкость автомобильного масла лукойл 10W-30:
1 – бензина; 2 – растительное масло.

Из рисунков 12, 13 видно также, что вязкость органических веществ, также понижается, если в них добавлять примеси в малых количествах: бензина, растительное масло, глицерин, автомобильное масло лукойл 10W-30.

Выводы

1. Поверхностное натяжение во всех исследуемых растворах с увеличением концентрации моющих средств уменьшается. Обнаружено, при концентрациях C > 0,4 % происходит насыщение раствора, при котором поверхностное натяжение не растет, а остается неизменным.

2. Поверхностное натяжение зависит от состава ПАВ в моющих средствах, концентрации примесей в растворе.

3. Вода, понижает вязкость спирта и глицерина, так как вода по отношению к ним является поверхностно-активным. Сахар, глицерин и соли щелочей наоборот повышают вязкость раствора, потому что они являются по отношению к воде инактивными добавками.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех форм обучения и содержит краткие сведения по теории и описание порядка выполнения лабораторной работы по разделу “Молекулярная физика”.

Составители: Гусманова Г.М., доц., канд.хим.наук Шестакова Р.Г., доц., канд.хим.наук

Лейберт Б.М., доц., канд.техн.наук

Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5-2

ЦЕЛЬ РАБОТЫ : исследовать зависимость коэффициента поверхностного натяжения водных растворов от концентрации этилового спирта.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ : прибор Ребиндера, электроплитка, водяной манометр, термометр.

Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому она обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ. Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся. Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, так как средняя энергия теплового движения гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия, и ее недостаточно для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому тела и жидкости имеют определенный объем.

Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, то есть их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, то есть их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными. По Я.И.Френкелю каждая молекула жидкости в течение некоторого времени колеблется около положения равновесия, после чего скачком переходит в новое положение, отстоящее от исходного на расстоянии порядка межатомного.

Рассмотрим, какие силы межмолекулярного притяжения действуют на молекулу, находящуюся в глубине жидкости и на ее поверхности.

Рис.1. Молекулы на поверхности и в глубине жидкости

граничащей с жидкостью, - насыщенный пар этой жидкости, другая жидкость, твердое тело . Граничащая среда может отличаться как природой частиц, так и плотностью и силами межмолекулярного взаимодействия. Поэтому молекула на поверхности находится под действием силы, отличной от нуля и направленной перпендикулярно поверхности раздела сред либо в сторону объема жидкости, либо в сторону объема граничащей с ней среды. Например, на границе с насыщенным собственным паром эта сила направлена внутрь жидкости. При перемещении молекулы из поверхностного слоя внутрь жидкости молекула совершает положительную работу, поверхность сокращается, система переходит в состояние с минимальной энергией. Наоборот, переход молекул из объема на поверхность сопровождается отрицательной работой, то есть для увеличения поверхности нужны затраты внешней энергии.

Работа изменения площади поверхности dA пропорциональна величине этой поверхности dS:

где - коэффициент пропорциональности, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости на границе с данной средой, зависит от природы контактирующих сред, температуры, концентрации примесей.

Коэффициент поверхностного натяжения численно равен работе изотермического изменения площади поверхности жидкости на единицу

В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения измеряется в Дж/м 2 или в Н/м.

Работа dA идет на увеличение потенциальной энергии dU молекул, переходящих на поверхность жидкости

Та часть энергии системы, которая при данных условиях может быть использована для преобразования в механическую работу, называется

свободной энергией. Это значит, что система не может совершить работу, превышающую ее свободную энергию. Таким образом, избыточная потенциальная энергия поверхности жидкости является свободной энергией поверхности:

Итак, коэффициент поверхностного натяжения есть свободная энергия единицы площади этой поверхности .

Любая система в равновесии имеет минимальное значение потенциальной энергии, то есть жидкость в равновесии должна иметь

минимально возможную поверхность . Стремление к уменьшению поверхности удобно описывать с помощью сил, действующих по касательной к поверхности, сокращающих эту поверхность. Работа равна скалярному произведению силы на перемещение dA = fdl , площадь поверхности равна dS = xdl , поэтому коэффициент поверхностного

натяжения равен силе, действующей по касательной к поверхности жидкости, на единицу длины линии, ограничивающей эту поверхность .

Читайте также: