Изучение поверхностного натяжения жидкостей (лабораторная работа), страница 2

ЛАБОРАТОРНАЯ   РАБОТА  № 3.3

ИЗУЧЕНИЕ  ПОВЕРХНОСТНОГО  НАТЯЖЕНИЯ  ЖИДКОСТЕЙ

Цель работы:  Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкостей и влияние на него различных физических воздействий.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  СВЕДЕНИЯ

I. Структура жидкостей

Жидкость - вещество в конденсированном состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Соответственно структура жидкостей занимает промежуточное положение между структурой кристаллов и газов. В кристаллах молекулы расположены строго периодически в узлах кристаллической решетки, т. е, их структура характеризуется дальним порядком. Этот порядок вдали от температуры плавления лишь незначительно искажается тепловыми колебаниями молекул около узлов решетки. Такая "жесткость" структуры позволяет кристаллам сохранять свою форму.

В газах молекулы двигаются свободно и взаимодействуют лишь на малых расстояниях (в частности, при больших плотностях) и при столкновениях. С этим связано свойство газов занимать весь предоставленный им объем.

В жидкостях вокруг каждой молекулы ее "соседи" располагаются упорядоченно только на расстоянии, равном радиусу молекулярного взаимодействия. Последний имеет величину порядка нескольких эффективных диаметров молекулы  (~10^{-8 см). Такой тип порядка называется ближним порядком, а структура – квазикристаллической. Тепловые колебания молекулы жидкости совершают со средней частотой  близкой к частотам колебаний молекул в кристаллах. Время τ}₀ определяется экспериментально или рассчитывается теоретически и имеет смысл среднего периода колебаний молекулы. Принципиальное отличие от кристаллов состоит в том, что положения равновесия молекул жидкости неустойчивы. Через среднее время τ свободной жизни в одном временном положении равновесия молекула может случайном образом перескочить в новое положение равновесия, находящееся на расстоянии порядка диаметра молекул (~10^{-8 см}). Такие непрерывные , и в большом числе совершающиеся переходы, обеспечивают сильно выраженную самодиффузию частиц жидкости, а также её основное: свойство – текучесть. Время τ свободной жизни во временном положении равновесия между двумя -активированными скачками связано с τ₀ соотношением;

                                                                                      (1)

где W – энергия активации, равная глубине потенциальной ямы, в которой находится молекула во временном положении равновесия,

        k – постоянная Больцмана;

                 Т – абсолютная температура.

Средний период колебаний молекул  τ₀ ~ 10^-12 с, время  τ > τ₀ и зависит от природы жидкости и от отношения W /kT . Для жидкостей с низкой вязкостью  τ ~ 10^-11с  и растет с ростом вязкости, достигая часов и даже суток у стекол.

2. Природа поверхностного натяжения и его характеристики

Молекулы жидкости в объёме и на её свободной поверхности находятся в неэквивалентных условиях (см. рис I).

Каждая молекула испытывает притяжение со стороны всех соседних молекул, находящихся в пределах сферы молекулярного действия радиусом r₀, центр которой совпадает с данной молекулой. Равнодействующая всех сил для молекул в объеме жидкости (при r >2r₀) в среднем равна нулю. В приповерхностной области (при r <r_о) окружение каждой молекулы несимметрично и действие соседних молекул не скомпенсировано. Таким образом, на каждую молекулу, находящуюся в приповерхностном слое толщины ~ r₀ действует результирующая сила f, направленная в объем жидкости. Под действием этой силы молекулы совершают более частые переходы в объем. Поэтому в приповерхностном слое концентрация молекул ниже, чем в объеме. Этот слой оказывается как бы растянутым, обладает дополнительной потенциальной (упругой) энергией и ведет себя подобно резиновой пленке, для молекул это означает, что они должны совершить работу против равнодействующей силы t, чтобы перейти из объема в приповерхностный слой.