Определение коэффициента поверхностного натяжения методом компенсации давления Лапласа

Молекулы жидкости взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания, которые проявляются заметно в пределах расстояния r, называемого радиусом молекулярного действия (порядка нескольких диаметров молекулы). Сфера радиуса r называется сферой молекулярного действия. Если молекула находится в поверхностном слое, то есть удалена от поверхности менее чем на r, то равнодействующая сил притяжения со стороны окружающих молекул направлена внутрь жидкости (рис.). Поэтому для перехода молекулы из внутренней части жидкости на её поверхность требуется совершить работу, в результате свободная энергия поверхности возрастает. Свободную поверхностную энергию, приходящуюся на единицу поверхности жидкости, называют коэффициентом поверхностного натяжения:

                                               ,                         

где А – работа, которую нужно совершить, чтобы площадь поверхности увеличить на S. В системе СИ коэффициент поверхностного натяжения s измеряется в Дж/м2.

В положении равновесия свободная энергия системы минимальна, поэтому жидкость, предоставленная самой себе, стремится сократить свою поверхность. Мысленно ограничим какой-либо участок поверхностного слоя замкнутым контуром. В нём действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения, направленные по касательной к поверхности перпендикулярно к участку контура, на который они действуют. Коэффициент поверхностного натяжения s можно определить и как силу, приходящуюся на единицу длины контура, ограничивающего поверхность:

                                               .                         

Единица его измерения в системе СИ: 1Н/м=1 Дж/м2.

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от химического состава жидкости, среды, с которой она граничит, температуры. С ростом температуры s уменьшается и при критической температуре обращается в нуль.

В зависимости от силы взаимодействия молекул жидкости с частицами твёрдого тела, соприкасающегося с ней, возможно смачивание ил несмачивание жидкостью твёрдого тела. В обоих случаях поверхность жидкости вблизи границы с твёрдым телом искривляется. Такого рода кривую поверхность называют мениском.

Для характеристики мениска вводят краевой угол j (рис) между поверхностью стенки и мениском с вершиной в точке их пересечения. Если j<900, то говорят, что жидкость смачивает стенку, если j>900 – не смачивает. Появление мениска вызвано тем, что молекулы жидкости, находящиеся вблизи стенки, взаимодействуют с частицами твёрдого тела.

Искривлённая поверхность оказывают на жидкость дополнительное (лапласово) давление, действующее в направлении на центр кривизны поверхности. Рассмотрим сферическую каплю жидкости радиуса r. Её поверхность, стремясь сократиться оказывает на жидкость добавочное давление рл. при уменьшении площади поверхности капли на dS поверхностные силы совершают изометрическую работу dА, равную убыли свободной энергии поверхности: dА=sdS. С другой стороны, dА=рлdV, где dV – изменение объёма капли. Учитывая  (dV=4pr2dr) и S=4pr2 (dS=8prdr), получаем 8prsdr=4pr2pлdr, следовательно:

                                               .                      

Капиллярами называют трубки, радиус кривизны мениска жидкости в которых сравним с радиусом трубки. В них лапласово давление вызывает поднятие смачивающих и опускание несмачивающих жидкостей. Уровень жидкости в капилляре изменяется на такую величину h, чтобы гидростатическое давление p=rgh уравновесило лапласово давление . Поверхность мениска в капилляре можно считать частью сферы (рис. 21), поэтому радиус кривизны мениска r=r0/cosj, где r0 – радиус трубки. Получим, что высота поднятия жидкости в капилляре:

                                      .                  

Измерив высоту h, радиуса капилляра r0»r и зная плотность r, можно определить коэффициент поверхностного натяжения s. Однако точное измерение высоты h затруднено. В данной работе необходимо увеличить давление воздуха в капилляре до тех пор, пока уровни жидкости в капилляре и в сосуде не сравняются. Это произойдёт, когда давление воздуха над жидкостью сравняется с лапласовым. Измерив это давление, можно по формуле вычислить коэффициент s жидкости.

Оборудование: капилляр, пробирка, сильфон, манометр, микроскоп, панель с капилляром, резиновая груша, поролоновые подставки, исследуемые жидкости: вода, раствор поваренной соли, спирт.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке. Основной её элемент – капилляр 2, опущенный одним концом в пробирку 1 с исследуемой жидкостью, которая его смачивает. Поворачивая трёхходовой кран 3, можно позволить воздуху в капилляре сообщаться либо с атмосферой, либо с сильфоном 4 и открытым водяным манометром 5. Когда давление воздуха в капилляре равно атмосферному, исследуемая жидкость в нём поднимается на некоторую высоту h над поверхностью в пробирке, образуя вогнутый мениск. Создавая при помощи сильфона 4 над мениском избыточное по сравнению с атмосферным давление, измеряемое манометром 5, можно добиться того, что уровни жидкости в капилляре 2 и пробирке 1 сравняются. Тогда лапласово давление  и давление воздуха над мениском р=r0gH равны, то есть

                                            ,                    

где d – диаметр капилляра, H – разность уровней в коленах манометра, r0 – плотность манометрической жидкости. Величина  является постоянной для данной установки, поэтому, вычислив её, можно найти s по формуле

                                               s=K×H.