- Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией.
- Поверхностное натяжение
- Измерение силы поверхностного натяжения
- От чего зависит сила поверхностного натяжения
- Измерение коэффициента поверхностного натяжения
- Зависимость поверхностного натяжения от примесей
Учебник для углубленного изучения физики
 Скачать 6.2 Mb.
|
§ 7.3. Поверхностная энергияКогда вода из опрокинутого стакана разливается по полу или когда мы выдуваем мыльный пузырь, поверхность жидкости увеличивается. При этом возникают новые участки разреженного поверхностного слоя. Среднее расстояние между молекулами при их переходе из глубины жидкости на ее поверхность возрастает. Силы притяжения между молекулами жидкости совершают при этом отрицательную работу. В соответствии с законами механики это означает увеличение потенциальной энергии молекул, перешедших из глубины жидкости на поверхность. Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают избытком потенциальной энергии по сравнению с энергией, которой эти молекулы обладали бы, находясь внутри жидкости. Избыточную потенциальную энергию, которой обладают молекулы на поверхности жидкости, называют поверхностной энергией. С макроскопической (термодинамической) точки зрения поверхностная энергия — это один из видов внутренней энергии, отсутствующая у газов, но имеющаяся у жидкостей*. * Поверхностной энергией обладают также твердые тела. Ведь особые условия, в которых находятся молекулы на поверхности жидкости, характерны и для поверхности твердых тел. При растекании воды из опрокинутого стакана по полу увеличение энергии молекул поверхностного слоя происходит за счет работы силы тяжести. А при выдувании мыльного пузыря увеличение потенциальной энергии молекул поверхностного слоя происходит за счет работы сил давления воздуха в пузыре. Ведь для того чтобы пузырь раздувался, давление воздуха в нем должно быть больше атмосферного. Поверхностное натяжение Молекулы на всех участках поверхностного слоя жидкости находятся в одинаковых условиях, и два участка одинаковой площади обладают одинаковой поверхностной энергией. Это означает, что поверхностная энергия прямо пропорциональна площади поверхности жидкости. Поэтому отношение поверхностной энергии Unучастка поверхности жидкости к площади S этого участка есть величина постоянная, не зависящая от площади S. Эту величину называют коэффициентом поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением и обозначают буквой σ:  (7.3.1)Поверхностное натяжение представляет собой удельную поверхностную энергию, т. е. энергию, приходящуюся на поверхность единичной площади. В СИ поверхностное натяжение выражается в джоулях на квадратный метр (Дж/м2). Так как 1 Дж = 1 Н · м, то поверхностное натяжение можно выражать ив ньютонах на метр (Н/м). Поверхностное натяжение а зависит от природы граничащих сред и от температуры. По мере повышения температуры различие между жидкостью и ее насыщенным паром постепенно стирается и при критической температуре исчезает совсем. Соответственно поверхностное натяжение для границы жидкость — насыщенный пар с повышением температуры уменьшается и при критической температуре становится равным нулю. Из формулы (7.3.1) следует, что  (7.3.2)Следовательно, при уменьшении площади поверхности поверхностная энергия уменьшается. Молекулярные силы совершают при этом положительную работу, так как расстояния между молекулами при переходе их из поверхностного слоя в глубь жидкости уменьшаются. В состоянии равновесия жидкости поверхностная энергия имеет минимальное значение. Это соответствует минимальной при заданном объеме площади поверхности. Поэтому, как говорилось в § 7.1, жидкость принимает форму шара, если нет других сил, искажающих ее естественную сферическую форму. В поверхностном слое жидкости запасена энергия, прямо пропорциональная площади поверхности. Поверхностная энергия — одна из форм внутренней энергии. § 7.4. Сила поверхностного натяженияВ § 7.1 были рассмотрены опыты, свидетельствующие о стремлении поверхности жидкости к сокращению. Это сокращение вызывается силой поверхностного натяжения. Силу, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей эту поверхность, и стремится сократить ее до минимума, называют силой поверхностного натяжения. Измерение силы поверхностного натяжения Чтобы измерить силу поверхностного натяжения, проделаем следующий опыт. Возьмем прямоугольную проволочную рамку, одна сторона которой АВ длиной lможет перемещаться с малым трением в вертикальной плоскости. Погрузив рамку в сосуд с мыльным раствором, получим на ней мыльную пленку (рис. 7.11, а). Как только мы вытащим рамку из мыльного раствора, проволочка АВ сразу же придет в движение. Мыльная пленка будет сокращать свою поверхность. Следовательно, на проволочку АВ действует сила, направленная перпендикулярно проволочке в сторону пленки. Это и есть сила поверхностного натяжения.  Рис. 7.11 Чтобы помешать проволочке двигаться, надо к ней приложить некоторую силу. Для создания этой силы можно прикрепить к проволочке мягкую пружину, закрепленную на основании штатива (см. рис. 7.11, о). Сила упругости пружины вместе с силой тяжести, действующей на проволочку, в сумме составят результирующую силу  Для равновесия проволочки необходимо, чтобы выполнялось равенство  , где  — сила поверхностного натяжения, действующая на проволочку со стороны одной из поверхностей пленки (рис. 7.11, б).Отсюда  .От чего зависит сила поверхностного натяжения? Если проволочку переместить вниз на расстояние h, то внешняя сила F1= 2Fсовершит работу  (7.4.1)Согласно закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии (в данном случае поверхностной) пленки. Начальная поверхностная энергия мыльной пленки площадью S1 равна Uп1 = =2σS1, так как пленка имеет две поверхности одинаковой площади. Конечная поверхностная энергия  где S2— площадь пленки после перемещения проволочки на расстояние h. Следовательно,  Так как  то  (7.4.2)Приравнивая правые части выражений (7.4.1) и (7.4.2), получим:  Отсюда сила поверхностного натяжения, действующая на границу поверхностного слоя длиной l, равна:  (7.4.3)Направлена сила поверхностного натяжения по касательной к поверхности перпендикулярно границе поверхностного слоя (перпендикулярно проволочке АВ в данном случае, см. рис. 7.11, а). Измерение коэффициента поверхностного натяжения Существует много способов измерения поверхностного натяжения жидкостей. Например, поверхностное натяжение а можно определить, пользуясь установкой, изображенной на рисунке 7.11. Мы рассмотрим другой способ, не претендующий на большую точность результата измерений. Прикрепим к чувствительному динамометру медную проволочку, изогнутую так, как показано на рисунке 7.12, a. Подставим под проволочку сосуд с водой так, чтобы проволочка коснулась поверхности воды (рис. 7.12, б) и «прилипла» к ней. Будем теперь медленно опускать сосуд с водой (или, что то же, поднимать динамометр с проволочкой). Мы увидим, что вместе с проволочкой поднимается обволакивающая ее водяная пленка, а показание динамометра при этом постепенно увеличивается. Оно достигает максимального значения в момент разрыва водяной пленки и «отрыва» проволочки от воды. Если из показаний динамометра в момент отрыва проволочки вычесть ее вес, то получится сила F, равная удвоенной силе поверхностного натяжения (у водяной пленки две поверхности):  где l— длина проволочки.  Рис. 7.12 Отсюда  При длине проволочки 1 = 5 см и температуре 20 °С сила оказывается равной 7,3 · 10-3 Н. Тогда  Результаты измерений поверхностных натяжений некоторых жидкостей приведены в таблице 4. Таблица 4
Из таблицы 4 видно, что у легкоиспаряющихся жидкостей (эфира, спирта) поверхностное натяжение меньше, чем у нелетучих жидкостей, например у ртути. Очень мало поверхностное натяжение у жидкого водорода и особенно у жидкого гелия. У жидких металлов поверхностное натяжение, наоборот, очень велико. Различие в поверхностном натяжении жидкостей объясняется различием в силах межмолекулярного взаимодействия. Зависимость поверхностного натяжения от примесей Значительное влияние на поверхностное натяжение жидкости оказывают примеси растворенных в ней веществ. Наличие примесей в жидкости приводит, как правило, к уменьшению поверхностного натяжения. В этом можно убедиться, проделав следующий опыт. Нальем в кювету чистой воды и насыплем на ее поверхность ликоподий, тальк или мелко натертую пробку (рис. 7.13, а). Это делается для того, чтобы стало заметнее перемещение поверхностного слоя воды. С помощью тонкой стеклянной трубки или пипетки введем на середину поверхности воды небольшую каплю эфира (или мыльного раствора). Мы увидим быстрое перемещение частичек порошка к бортам кюветы, а в середине появится «окно» (рис. 7.13, б). Это показывает, что эфир резко понижает поверхностное натяжение воды.  Рис. 7.13 При растворении сахара в воде поверхностное натяжение увеличивается. Обратите внимание: поверхностное натяжение мыльного раствора меньше, чем воды. Тем не менее мыльные пузыри или мыльные пленки на проволочных рамках образуются мыльным раствором, а не чистой водой. Объясняется это следующим образом: для устойчивого равновесия пленки силы поверхностного натяжения должны увеличиваться с высотой. Чем выше участок пленки, тем большую массу пленки внизу ему приходится удерживать. Следовательно, концентрация мыла на поверхности пленки убывает с высотой (см. также § 8.4). Вдоль поверхности любого участка жидкости перпендикулярно линии, ограничивающей этот участок, действует сила поверхностного натяжения F= σl. Коэффициент поверхностного натяжения а уменьшается с ростом температуры и зависит от растворенных в жидкости примесей. |