Краткая теория. Молекулы жидкости, расположенные в поверхностном слое и внутри жидкости, находятся в разных состояниях

Молекулы жидкости, расположенные в поверхностном слое и внутри жидкости, находятся в разных состояниях. На молекулу М1, расположенную внутри жидкости, действуют другие молекулы жидкости равномерно со всех сторон. Поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу М2 сил равна нулю (рис.2.1).

М2

_

R М1

Рисунок 2.1 - Силы, действующие на молекулы в жидкости и её поверхностном слое

На молекулу М2 действия сил со стороны молекул жидкости больше, чем со стороны молекул воздуха. Поэтому равнодействующая всех действующих на молекулу сил R направлена внутрь жидкости нормально к её поверхности. Отсюда следует, что на все молекулы, расположенные в тонком поверхностном слое, действуют силы, стремящиеся втянуть их внутрь жидкости. Поэтому поверхностный слой давит с большей силой на жидкость, создавая в ней так называемое внутреннее или молекулярное давление. Это давление очень велико, для воды 1,1×10 ⁹ Н / м².

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком энергии по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости. Это избыточная энергия называется свободной поверхностной энергией.

Стремление жидкости сохранить свою свободную поверхность называется поверхностным натяжением. Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости.

Количественной характеристикой поверхностного натяжения является коэффициент поверхностного натяжения a, который численно равен силе F, действующей на единицу длины l контура, ограничивающего поверхность жидкости:

. (2.1)

Также коэффициент поверхностного натяжения численно равен свободной поверхностной энергии W, приходящейся на единицу площади поверхности S жидкости:

. (2.2)

Коэффициент поверхностного натяжения зависит от рода жидкости, температуры (уменьшается с повышением температуры), степени чистоты поверхности (изменяется от малейшего загрязнения), растворения в жидкости различных веществ. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) адсорбируются на поверхности жидкости и уменьшают её свободную поверхностную энергию. Такими веществами являются жирные кислоты, их соли, спирты, эфиры и другие.

В данной работе для расчёта поверхностного натяжения используется метод отрыва кольца (рис.2.2). Для отрыва кольца от поверхности жидкости

требуется усилие, равное силе

поверхностного натяжения:

F = mg, (2.3)

где m – масса разновесок,

g – ускорение свободного падения.

d

D

Рисунок 2.2 - Метод отрыва кольца

Длина границ плёнки равна сумме наружной и внутренней границ металлического кольца:

l=pD + p (D – 2d)=2p(D-d), (2.4)

где D – наружный диаметр металлического кольца,

d - его толщина.

Тогда, исходя из формулы (2.1), найдём коэффициент поверхностного натяжения:

. (2.5)