Измерение сил поверхностного натяжения
Рис. 1

Исследуем зависимость силы поверхностного натяжения от длины линии, разделяющей поверхности жидкости и твердого тела.

Для этого воспользуемся установкой, которая состоит из чувствительного динамометра и кюветы с жидкостью.

Будем поочередно прикреплять к пружине динамометра проволочки различной длины и измерять силу, необходимую для отрыва этих проволочек от поверхности жидкости.

Опыты показывают, что сила поверхностного натяжения прямо пропорциональна длине линии, разделяющей поверхность жидкости и соприкасающегося с ней тела.

Результат опытов может быть выражен уравнением: F = σL0.

L0 = 2L, так как пленка имеет две поверхности.

Физическая величина, равная отношению силы поверхностного натяжения к длине контура свободной поверхности жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения жидкости.
Рис. 2

Чтобы получить единицу коэффициента поверхностного натяжения, его надо выразить из формулы, показывающей зависимость, установленную в опыте, и в полученное выражение подставить единицы силы – 1 Н и длины – 1 м. Получаем:

Коэффициент поверхностного натяжения жидкости показывает, какая сила поверхностного натяжения действует на единицу длины контура свободной поверхности жидкости.

Поскольку со стороны поверхностного слоя жидкости на тела действует сила, и под действием этой силы они могут перемещаться, совершая работу, то поверхность жидкости обладает некоторой избыточной по отношению к внутренним слоям энергией. Попытаемся выяснить от чего и как зависит эта энергия.
Рис. 3

Возьмем проволочный прямоугольник с одной подвижной перекладиной и опустим его в мыльную воду. Образовавшаяся на каркасе пленка сокращается и тянет за собой перекладину. Подвесим к перекладине небольшой грузик, подобрав его так, чтобы он уравновесил силу, тянущую перекладину вверх. После этого слегка увеличим массу грузика. Площадь поверхности пленки начинает непрерывно возрастать. В этом плане процесс растяжения мыльной пленки принципиально отличается от процесса растяжения пленки из резины. Последняя для большего растяжения требует большей силы.

Если под действием силы F подвижная перекладина сместится на расстояние x, то будет совершена работа A. При этом площадь поверхности жидкости увеличится на S = 2Lx (поверхность двусторонняя). Таким образом, A ~ 2Lx. Так как работа равна изменению энергии, то избыточная энергия поверхностного слоя жидкости прямо пропорциональна площади этого слоя: E = σS.

На основе этой зависимости можно дополнить физический смысл коэффициента поверхностного натяжения.

Он показывает, чему равна избыточная энергия поверхностного слоя жидкости единичной площади.

Соответственно, можно получить единицу коэффициента поверхностного натяжения: