Главная | Обратная связь

Теоретическое введение.

Между молекулами вещества действуют силы взаимодействия (F): притяжения (F_п) и отталкивания (F_отт), которые проявляются на расстояниях r ≤ 10^{-9 м.}

На рис. 1,а приведены зависимости сил F_п, F_отт (пунктиром) и равнодействующей силы F (сплошная линия) от расстояния между центрами молекул.

При r=r₀ (r₀~2r_м, r_м≈10^{-8 м – радиус молекулы) равнодействующая сила} F=0 (F_п=F_отт), что соответствует состоянию, когда жидкость занимает свободный объем. В этом случае молекулы колеблются относительно положения равновесия (точка r₀).

При r<r₀ преобладают силы отталкивания (F>0), при r>r₀ – силы притяжения (F<0). На расстояниях r ~ 10^-9 межмолекулярное взаимодействие практически отсутствует (F→0). Это расстояние r называется радиусом молекулярного действия, а сфера радиуса r – сфера молекулярного действия. Радиус молекулярного действия имеет величину порядка нескольких эффективных диаметров молекулы.

На рис. 1,б изображена зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния r между молекулами. Если r→∞, то U→0. При сближении молекул проявляются силы притяжения, энергия

рис.1 взаимодействия убывает, достигая при r=r₀ минимального значения. При дальнейшем сближении преобладают силы отталкивания, энергия взаимодействия возрастает.

Молекулы жидкости располагаются настолько близко друг к другу, что силы притяжения между ними имеют значительную величину. Поскольку взаимодействие быстро убывает с расстоянием, начиная с некоторого расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Каждая молекула испытывает притяжение со стороны соседних молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия, центр которой совпадает с данной молекулой. Равнодействующая всех этих сил для молекулы, находящейся от поверхности на расстоянии, превышающем r (молекула В, рис. 2), очевидно, в среднем равна нулю = 0.

В случае если молекула находится на расстоянии от поверхности, меньше чем r, то равнодействующая сила не равна нулю. Так как плотность пара (или газа, с которым граничит жидкость) во много раз меньше плотности жидкости, то выступающая за пределы жидкости часть сферы молекулярного действия будет менее заполнена молекулами, чем остальная часть сферы. В результате на каждую молекулу, находящуюся в поверхностном слое толщиной r, будет действовать сила, направленная внутрь жидкости (молекулы А, С). Величина этой силы растет в направлении от внутренней к наружной границе слоя: .

рис. 2

Переход молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой связан с необходимостью совершения работы против действующих в поверхностном слое сил. Эта работа совершается молекулой за счет запаса ее кинетической энергии и идет на увеличение ее потенциальной энергии. При обратном переходе молекулы в глубь жидкости потенциальная энергия, которой обладала молекула в поверхностном слое, переходит в кинетическую энергию молекулы.

Устойчивое равновесие жидкости связано с минимумом потенциальной энергии, то есть с минимально возможной в данном состоянии величиной поверхности жидкости (капли жидкости имеют сферическую форму). Это явление называется поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены по касательной к поверхности жидкости и действуют нормально к любой линии, проведенной на этой поверхности.

Количественная характеристика силы поверхностного натяжения жидкости – коэффициент поверхностного натяжения α, который численно равен силе F, действующей по касательной к поверхности на единицу длины произвольной контура на поверхности жидкости:

(1)

При изотермическом увеличении площади поверхности жидкости совершенная работа равна свободной поверхностной энергии. Величина, численно равная работе изотермического увеличения площади поверхности жидкости на единицу, называется коэффициентом поверхностного натяжения:

a = (2)

В СИ единицы измерения: или .

Величина коэффициента поверхностного натяжения зависит от природы жидкости и от условий, в которых она находится, в частности от температуры. С повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается, так как увеличиваются средние расстояния между молекулами жидкости. При критической температуре значение коэффициента поверхностного натяжения равно нулю.

На величину поверхностного натяжения также оказывают сильное влияние примеси. Растворенные в жидкости вещества (поверхностно-активные вещества (ПАВ) – органические вещества, различного химического строения) способны как понижать, так и несколько повышать поверхностное натяжение (например: коэффициент поверхностного натяжения воды при 293 К равен 0,075 Н/м, растворение в воде мыла его значение до 0,045 Н/м, а растворение в воде NaCl, напротив, приводит к увеличению α).

ПАВ (моющие средства, пенообразователи, эмульгаторы и др.) применяются в промышленности (обработка и крашение тканей, металлообработка, производство полимеров и др.), в сельском хозяйстве (приготовление эмульсий и суспензий химических средств защиты растений и др.) и т.д.

Существуют несколько методов определения коэффициента поверхностного натяжения. В данной работе используется объемно-капельный метод.