§7.4. СИЛА ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

В § 7.1 были рассмотрены опыты, свидетельствующие о стремлении поверхности жидкости к сокра-щению. 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, продела-ем следующий опыт.

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, а). Сила упругости пружины вместе с силой тяжести, действующей на проволочку, в сумме составят результирующую силу Fv Для равновесия проволочки необходимо, чтобы выполнялось равенство Fx = -2F, где

2 F

Рис. 7.11

а)

б)

F'^F? F — сила поверхностного натяжения, действующая на прово-лочку со стороны одной из поверхностей пленки (рис. 7.11, б).

F1

Отсюда F = -g .

От чего зависит сила поверхностного натяжения?

Если проволочку переместить вниз на расстояние h, то внешняя сила F1 = 2F совершит работу

А = F]h = 2Fh. (7.4.1)

Согласно закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии (в данном случае поверхностной) пленки.

Un2 = 2 oS2,

где S2 — площадь пленки после перемещения проволочки на расстояние h. Следовательно,

A = Un2- Unl = 2aS2 - 2aSl = 2a(S2 - SJ. Так как

S2 =" Ih,

то

A=2alh. (7.4.2)

Приравнивая правые части выражений (7.4.1) и (7.4.2), получим

2 Fh = 2 alh.

Отсюда сила поверхностного натяжения, действующая на границу поверхностного слоя длиной I, равна

F = al. (7.4.3)

Направлена сила поверхностного натяжения по касатель-ной 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 о можно определить, пользуясь установкой, изображенной на рисунке 7.11. Мы рассмотрим другой способ, не претендующий на большую точность результата измерений.

Рис. 7.12

Прикрепим к чувствительному динамометру медную проволочку, изогнутую так, как показано на рисунке 7.12, а. 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):

F = 2 al,

где I — длина проволочки.

Отсюда

СТ=2Г

При длине проволочки I = 5 см и температуре 20 °С сила оказывается равной 7,3 • 10~3 Н.

ct=Z^_io_!H=7)3.10-2H.

2*0,05м м

Результаты измерений поверхностных натяжений некоторых жидкостей приведены в таблице 4.

Таблица 4 Жидкость Температура, °С Поверхностное натяжение, Н/м Вода (чистая) 20 0,073 Раствор мыла 20 0,040 Спирт 20 0,022 Эфир 20 0,017 Ртуть 20 0,470 Золото(расплавленное) ИЗО 1,102 Жидкий водород -253 0,0021 Жидкий гелий -269 0,00012

Из таблицы 4 видно, что у легкоиспаряющихся жидкостей (эфира, спирта) поверхностное натяжение меньше, чем у неле-тучих 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. 7.13,5). Это показывает, что эфир резко понижает поверхностное натяжение воды.

Рис. 7.13

а) б)

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. Т8.КЖ6 §8.4).

Вдоль поверхности любого участка жидкости пер-пендикулярно линии, ограничивающей этот участок, действует сила поверхностного натяжения F = = ol. Коэффициент поверхностного натяжения о уменьшается с ростом температуры и зависит от растворенных в жидкости примесей.