液體表面張力影響因素
表面張力在物理學(xué)中是一個重要的物理量。由于液體表面張力的大小取決于液體表面張力系數(shù),所以測量液體表面張力系數(shù)具有重要意義。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的什么是液體表面張力，歡迎閱讀。
什么是液體表面張力
凡作用于液體表面，使液體表面積縮小的力，稱為液體表面張力。它產(chǎn)生的原因是 液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏，分子間的距離比液體內(nèi)部大一些，分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢。正是因?yàn)檫@種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如。
液體表面張力影響因素
內(nèi)因：無機(jī)液體的表面張力比有機(jī)液體的表面張力大的多;
水的表面張力72.8mN/m(20℃);
有機(jī)液體的表面張力都小于水;
含氮、氧等元素的有機(jī)液體的表面張力較大;
含F(xiàn)、Si的液體表面張力最小;
分子量大表面張力大;
水溶液：如果含有無機(jī)鹽，表面張力比水大;含有有機(jī)物， 表面張力比水小。
外因：溫度升高表面張力減小;
壓力和表面張力沒有關(guān)系。
注：液體(0度以上時)表面張力最弱的是酒精。
液體表面張力系數(shù)測定
液體表面張力的測定方法分靜力學(xué)法和動力學(xué)法。靜力學(xué)法有毛細(xì)管上升法、du Noüy 環(huán)法、Wilhelmy 盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法;動力學(xué)法有震蕩射流法、毛細(xì)管波法。其中毛細(xì)管上升法和最大氣泡壓力法不能用來測液- 液界面張力。Wilhelmy 盤法, 最大氣泡壓力法, 震蕩射流法, 毛細(xì)管波法可以用來測定動態(tài)表面張力。由于動力學(xué)法本身較復(fù)雜, 測試精度不高, 而先前的數(shù)據(jù)采集與處理手段都不夠先進(jìn), 致使此類測定方法成功應(yīng)用的實(shí)例很少。因此, 迄今為止, 實(shí)際生產(chǎn)中多采用靜力學(xué)測定方法。
毛細(xì)管上升法
測定原理：
將一支毛細(xì)管插入液體中, 液體將沿毛細(xì)管上升, 升到一定高度后, 毛細(xì)管內(nèi)外液體將達(dá)到平衡狀態(tài), 液體就不再上升了。此時, 液面對液體所施加的向上的拉力與液體向下的力相等。則表面張力 ：γ=ρghr/(2cosθ)
式中γ為表面張力, r 為毛細(xì)管的半徑, h 為毛細(xì)管中液面上升的高度, ρ為測量液體的密度, g 為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣? θ為液體與管壁的接觸角。
Wilhelmy 盤法
用鉑片、云母片或顯微鏡蓋玻片掛在扭力天平或鏈?zhǔn)教炱缴? 測定當(dāng)片的底邊平行面剛好接觸液面時的壓力, 由此得表面張力, 公式為:
式中,W 總為薄片與液面拉脫時的最大拉力,W片為薄片的重力, l 為薄片的寬度, 薄片與液體的接觸的周長近似為2l, φ為薄片與液體的接觸角
懸滴法
懸滴法是根據(jù)在水平面上自然形成的液滴形狀計(jì)算表面張力。在一定平面上, 液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關(guān)系。由Laplace公式, 描述在任意的一點(diǎn)P 曲面內(nèi)外壓差為：
式中R1, R2 為液滴的主曲率半徑; z 為以液滴頂點(diǎn)O 為原點(diǎn), 液滴表面上P 的垂直坐標(biāo); P0 為頂點(diǎn)O 處的靜壓力。
定義：S= ds/de
式中de 為懸滴的最大直徑, ds 為離頂點(diǎn)距離為de 處懸滴截面的直徑
式中b 為液滴頂點(diǎn)O 處的曲率半徑。此式最早是由Andreas, Hauser 和Tucker[15]提出, 若相對應(yīng)與懸滴的S 值得到的1/H 為已知, 即可求出表( 界) 面張力。應(yīng)用Bashforth-Adams 法, 即可算出作為S 的函數(shù)的1/H 值。因?yàn)榭刹捎枚ㄆ跀z影或測量ds/de 數(shù)值隨時間的變化, 懸滴法可方便地用于測定表( 界) 面張力。
滴體積法
當(dāng)一滴液體從毛細(xì)管滴頭滴下時, 液滴的重力與液滴的表面張力以及滴頭的大小有關(guān)。Tate首先提出了表示液滴重力(mg) 的簡單關(guān)系式:mg=2πrγ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 實(shí)際體積比按式( 7) 式計(jì)算的體積小得多。因此Harkins 就引入了校正因子
, 則更精確的表面張力可以表示為:
其中m 為液滴的質(zhì)量, V 為液滴體積, f 為校正因子, 可查表得到[16, 23]。只要測出數(shù)滴液體的體積, 利用( 13) 式就可計(jì)算出該液體的表面張力。
最大氣泡壓力法
若在密度為ρ的液體中, 插入一個半徑為r的毛細(xì)管, 深度為t, 經(jīng)毛細(xì)管吹入一極小的氣泡, 其半徑恰好與毛細(xì)管半徑相等。此刻, 氣泡內(nèi)壓力最大。根據(jù)拉普拉斯公式, 氣泡最大壓力為：
差分最大氣泡壓力法
差分最大氣泡壓力法最早是由Sugden 于1921 年提出來的并提出計(jì)算公式, 后經(jīng)過Cuny和Wolf 等的不斷改進(jìn), 原理是:兩個同質(zhì)異徑的毛細(xì)管插入被測液體中, 氣
泡從毛細(xì)管中通過后到達(dá)液體中, 測量兩個毛細(xì)管中氣泡的最大壓力p1 和p2, 表面張力是壓差的函數(shù), 計(jì)算公式為：
液體表面張力試驗(yàn)舉例
液體的表面張力是表征液體性質(zhì)的一個重要參數(shù).測量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一.該方法的特點(diǎn)是，用秤量儀器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚.用拉脫法測量液體表面張力，對測量力的儀器要求較高，由于用拉脫法測量液體表面的張力約在1×10-3～1×10-2 N之間，因此需要有一種量程范圍較小，靈敏度高，且穩(wěn)定性好的測量力的儀器.新發(fā)展的硅壓阻式力敏傳感器張力測定儀正好能滿足測量液體表面張力的需要，它比傳統(tǒng)的焦利秤、扭秤等靈敏度高，穩(wěn)定性好，且可數(shù)字信號顯示，利于計(jì)算機(jī)實(shí)時測量，為了能對各類液體的表面張力系數(shù)的不同有深刻的理解，在對水進(jìn)行測量以后，再對不同濃度的酒精溶液進(jìn)行測量，這樣可以明顯觀察到表面張力系數(shù)隨液體濃度的變化而變化的現(xiàn)象，從而對這個概念加深理解。
[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯
1.用拉脫法測量室溫下液體的表面張力系數(shù)
2.學(xué)習(xí)力敏傳感器的定標(biāo)方法
[實(shí)驗(yàn)原理]
測量一個已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，求得該液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法稱為拉脫法.若金屬片為環(huán)狀吊片時，考慮一級近似，可以認(rèn)為脫離力為表面張力系數(shù)乘上脫離表面的周長，即
F=α·π(D1十D2 ) (1)
式中，F(xiàn)為脫離力，D1，D2分別為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑，α為液體的表面張力系數(shù).
硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由四個硅擴(kuò)散電阻集成一個非平衡電橋，當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電壓大小與所加外力成正此，即
△U=KF (2)
式中，F(xiàn)為外力的大小，K為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度，△U為傳感器輸出電壓的大小。
[實(shí)驗(yàn)裝置]
圖14-1為實(shí)驗(yàn)裝置圖,其中,液體表面張力測定儀包括硅擴(kuò)散電阻非平衡電橋的電源和測量電橋失去平衡時輸出電壓大小的數(shù)字電壓表.其他裝置包括鐵架臺,微調(diào)升降臺,裝有力敏傳感器的固定桿,盛液體的玻璃皿和圓環(huán)形吊片,實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)環(huán)的直徑在3cm附近而液體和金屬環(huán)接觸的接觸角近似為零時.運(yùn)用公式(1)測量各種液體的表面張力系數(shù)的結(jié)果較為正確。
[實(shí)驗(yàn)內(nèi)容]
一、必做部分
1、 力敏傳感器的定標(biāo)
每個力敏傳感器的靈敏度都有所不同，在實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先將其定標(biāo)，步驟如下：打開儀器地電源開關(guān)，將儀器預(yù)熱。(2)在傳感器梁端頭小鉤中，掛上砝碼盤，調(diào)節(jié)電子組合儀上的補(bǔ)償電壓旋鈕，使數(shù)字電壓表顯示為零。(3)在砝碼盤上分別如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等質(zhì)量的砝碼，記錄相應(yīng)這些砝碼力F作用下，數(shù)字電壓表的讀數(shù)值U.(4)用最小二乘法作直線擬合,求出傳感器靈敏度K.
2、 環(huán)的測量與清潔
(1)用游標(biāo)卡尺測量金屬圓環(huán)的外徑D1和內(nèi)徑D2 (關(guān)于游標(biāo)卡尺的使用方法請閱實(shí)驗(yàn)1)
(2)環(huán)的表面狀況與測量結(jié)果有很大的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將金屬環(huán)狀吊片在NaOH溶液中浸泡20-30秒，然后用凈水洗凈。
3、液體的表面張力系數(shù)
(1)將金屬環(huán)狀吊片掛在傳感器的小鉤上，調(diào)節(jié)升降臺，將液體升至靠近環(huán)片的下沿，觀察環(huán)狀吊片下沿與待測液面是否平行，如果不平行，將金屬環(huán)狀片取下后，調(diào)節(jié)吊片上的細(xì)絲，使吊片與待測液面平行。
(2)調(diào)節(jié)容器下的升降臺，使其漸漸上升，將環(huán)片的下沿部分全部浸沒于待測液體，然后反向調(diào)節(jié)升降臺，使液面逐漸下降，這時，金屬環(huán)片和液面間形成一環(huán)形液膜，繼續(xù)下降液面，測出環(huán)形液膜即將拉斷前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值U1和液膜拉斷后一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值U2。
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