Коэффициент поверхностного натяжения

Дадим теперь количественную характеристику поверхностного натяжения. Проведём следующий опыт. Нальём в бюретку В воды и откроем немного кран К так, чтобы из бюретки медленно капала вода. Можно заметить, что каждая капля постепенно растёт, отрывается и падает. Если спроецировать конец бюретки с каплей на экран, то видно, что по мере роста капли между ней и жидкостью в трубке образуется шейка, постепенно суживающаяся. Отрыв капли С происходит по окружности шейки АВ. Следовательно, эта окружность в момент отрыва является границей поверхностного слоя. Вдоль неё действуют силы поверхностного натяжения, направленные вверх и удерживающие каплю.

Силы поверхностного натяжения распределены по длине линии, поэтому для установления искомой нами количественной характеристики может служить величина силы поверх постного натяжения, действующая на единицу длины линии.

Отношение силы поверхностного натяжения к длине границы поверхностного слоя жидкости называется коэффициентом поверхностного натяжения.

Обозначим коэффициент поверхностного натяжения буквой σ  (греч. «сигма»). Тогда согласно определению:

σ = F/l

 

где F – сила поверхностного натяжения, а l – длина границы поверхностного слоя. Если силу выражать в динах, а длину в сантиметрах, то σ будет измеряться в дин/см.

Рассмотрим теперь, как рассчитать коэффициент поверхностного натяжения воды в нашем опыте.

Капля отрывается тогда, когда вес её Р становится больше силы поверхностного натяжения F. Если r – радиус шейки АВ, то l = 2πr.

Поскольку непосредственно перед моментом отрыва F = P, то мы можем написать:

σ  = P/r

Взвесив несколько десятков капель, можно определить средний вес отдельной капли и, приняв r равным внутреннему радиусу трубки (на самом деле r немного меньше этого радиуса), можно найти по этой формуле приближённо величину σ.

В таблице приведены значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторых жидкостей.

Жидкость Температура, оС Поверхностное натяжение, дин/см

Вода

Вода

Вода

Вода

Раствор мыла

Спирт

Эфир

Ртуть

Свинец жидкий

Железо жидкое

Платина жидкая

Жидкий водород

Жидкий гелий

0

18

35

100

20

20

25

20

336

1267

2000

-253

-269

75,5

74

70

58,8

40

22

17

470

442

963

1819

2,1

0,12

Как видно из таблицы, с повышением температуры поверхностное натяжение у воды уменьшается; то же относится ко всем жидкостям.

Очень велико поверхностное натяжение у расплавленных металлов, очень мало у сжиженных газов, особенно у жидкого гелия.

На величину поверхностного натяжения влияют различные причины. Малейшие примеси в жидкости сильно меняют величину поверхностного натяжения, в большинстве случаев уменьшая её. В практике с этим приходится считаться; в частности, при определении коэффициента поверхностного натяжения надо пользоваться исключительно чистыми жидкостями.

Если бросить на поверхность воды мелкие кусочки камфары, то они начнут совершать сложные, весьма запутанные движения. Чем эти движения вызываются?

Кусочки камфары вследствие неправильной формы растворяются в поверхностном слое воды по–разному. Появление же в воде примесей камфары изменяет величину поверхностного натяжения воды, и тем сильнее, чем больше растворяется камфара. Различие в величине поверхностного натяжения воды, окружающей кусочек камфары, и вызывает эти причудливые движения.