Деякі методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу
Ця енергія вимірюється роботою, яку можуть зробити молекули поверхні, переміщаючись всередину рідини під дією сил тяжіння з боку молекул в об'ємі рідини. Перехід молекул поверхневого шару всередину рідини означає також скорочення поверхневого шару, отже:
де А - робота по переміщенню молекул з поверхневого шару всередину рідини або, навпаки, з обсягу в поверхневий шар,
# 916; S - викликане цим переміщенням зміна площі.
знак (-) - означає зменшення площі поверхневого шару,
знак (+) - збільшення площі.
коефіцієнт # 963; є основною величиною, що характеризує властивості поверхні рідини, і називається коефіцієнтом поверхневого натягу.
Коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється роботою, необхідною для зміни одиниці площі поверхні рідини при постійній температурі. В системі СІ одиницею вимірювання коефіцієнта поверхневого натягу. а в СГС:.
З огляду на зв'язок між роботою А і зміною поверхневої енергії # 916; W (А = # 916; W), можна записати # 916; W =. звідки
тобто коефіцієнт поверхневого натягу чисельно дорівнює зміні поверхневої енергії, що припадає на одиницю площі вільної поверхні рідини.
Розглянемо, до чого призводить наявність у поверхневого шару надлишкової потенційної енергії в порівнянні з рештою маси рідини.
Відомо, що будь-яка система при рівновазі знаходиться в тому з можливих для неї станів, при якому її енергія має мінімальне значення.
Стосовно до розглянутого випадку це означає, що рідина в рівновазі повинна мати мінімально можливу поверхню - сферичну (форма кулі, як відомо, найменша поверхню при даному обсязі).
Це означає, що повинні існувати сили, що перешкоджають збільшенню поверхні рідини, тобто сили, які прагнуть скоротити цю поверхню.
Очевидно, що ці сили повинні бути спрямовані уздовж самої поверхні, по дотичній до неї. Вони називаються силами поверхневого натягу. Для розриву поверхні рідини, на якому ділянці потрібно подолати силу поверхневого натягу, для кожної даної рідини певну величину. Ця сила в кожній точці перпендикулярна до кордону розриву поверхневого шару. Величина сили поверхневого натягу F. віднесеної до одиниці довжини контуру l. по якому відбувається розрив поверхневого шару, називається коефіцієнтом поверхневого натягу # 963; даної рідини:
Визначений у такий спосіб коефіцієнт поверхневого натягу, вимірюється в системі СІ в одиницях н / м, а в системі СГС в дин / см. неважко показати, що обидва визначення (3) і (4) тотожні.
Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від сил молекулярного взаємодії і приймає різні значення для різних рідин. У легкозаймистих рідин (ефір, спирт, бензин) молекулярні сили, а, отже, і величина поверхневого натягу менше ніж у нелетких рідин (наприклад, у ртуті та інших рідких металів). Значення коефіцієнтів поверхневого натягу деяких рідин при температурі 20 0 С наведені в таблиці 1
РтутьСпіртСиворотка кровіЕфір
Коефіцієнт поверхневого натягу залежить від роду рідини, від наявності домішок, від температури. З підвищенням температури він зменшується. Зниження поверхневого натягу можна досягти введенням в рідину поверхнево-активних речовин, що зменшують енергію поверхневого шару. Поверхневий натяг пояснює численні явища, характерні для рідкого стану речовини, такі як утворення піни, формування крапель і т.д.
Деякі методи визначення коефіцієнта поверхневого натягу.
Метод відриву крапель
Малий обсяг рідини сам по собі приймає форму, близьку до кулі, тому що завдяки малій масі рідини мала і сила тяжіння, що діє на неї.
Цим пояснюється куляста форма невеликих крапель рідини.
На рис.3 наведено фотографії, на яких показані різні стадії процесу освіти і відриву краплі. Фотографія отримана за допомогою швидкісної кінозйомки, крапля зростає повільно, можна вважати, що в кожен момент часу вона перебуває в рівновазі. Поверхневий натяг викликає скорочення поверхні краплі, воно прагне надати краплі сферичну форму. Сила тяжіння, навпаки, прагне розташувати центр тяжіння краплі якомога нижче. В результаті крапля виявляється витягнутої (рис.3).
Чим більше крапля, тим більшу роль відіграє потенційна енергія сили тяжіння. Основна маса в міру зростання краплі збирається внизу і у краплі утворюється шийка (ріс.3б). Сила поверхневого натягу спрямована вертикально по дотичній до шийки рис.4 і вона врівноважує силу тяжіння, що діє на краплю. Тепер досить краплі зовсім небагато збільшиться і сили поверхневого натягу вже не зможуть врівноважить силу тяжіння. Шийка краплі швидко звужується (ріс.3в) і в результаті крапля відривається (ріс.3г).
Зі спостережень над відривом краплі можна визначити чисельне значення коефіцієнта поверхневого натягу рідини. Дійсно, для моменту відриву краплі можна вважати, що
де F - сила поверхневого натягу,
Р = mg - сила тяжіння
З (4) F = # 963; l (див. рис. 4)
Для нашого випадку l = 2πr. де r - радіус самого вузького місця шийки (перетяжка).
Так як процес відриву краплі швидкоплинний, то визначення ускладнене. Щоб уникнути вимірювання радіуса перетяжки використовують метод порівняння коефіцієнта поверхневого натягу досліджуваної рідини з коефіцієнтом поверхневого натягу еталонної рідини, для якої величина цього коефіцієнта відома.
Тоді можна записати:
- для досліджуваної рідини,
- для еталонної рідини,
- радіус перетяжки краплі досліджуваної рідини,
- радіус перетяжки краплі еталонної рідини.
Оскільки різниця між і мала, нею можна знехтувати.
Визначення ваги краплі є трудомісткою і складною роботою, тому зважування замінюється простим підрахунком крапель досліджуваної і еталонної рідин при пропущенні однакових обсягів через прилад, званий сталагмометра.
де # 961; 1 і # 961; 0 - щільність досліджуваної і еталонної рідин, а
n1 і n0 - кількість крапель цих рідин,
Підставляючи значення Р1 і Р2 в (7) отримаємо:
Таким чином, знаючи к.п.н. еталонної рідини і щільності порівнюваних рідин, підрахувавши n1 і n0. можна за рівнянням (8) розрахувати к.п.н. досліджуваної рідини.
Метод відриву крапель, не будучи дуже точним, є, однак, вживаним в медичній практиці. Цим методом визначають в діагностичних цілях поверхневий натяг спинномозкової рідини, жовчі і т.д.
Метод відриву кільця
Для вимірювання КПН даним методом використовується установка, зображена на рис. 5а.
До пружини динамометра або коромисла торзіонних ваг підвішено кільце, яке нижньою частиною стосується рідини. В результаті змочування стінок кільця рідини, створюються два кордони вільної поверхні рідини: внутрішня l2 і зовнішня l1 (див. Рис. 5б).
Будемо плавно тягнути пружину з кільцем вгору. Рідина, зчепившись з кільцем в результаті його змочування, буде утримувати кільце, поки сила пружності пружини не перевищить сили зчеплення між молекулами поверхневого шару рідини. Пружина розриває поверхневий шар, при цьому розриває зусилля F дорівнюватиме силі поверхневого натягу, яка додається до зовнішнього і внутрішнього контурів кільця.