液體表面張力影響因素
表面張力在物理學(xué)中是一個(gè)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(cè)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(gè)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(shì)。正是因?yàn)檫@種張力的存在，有些小昆蟲才能無(wú)拘無(wú)束地在水面上行走自如。
液體表面張力影響因素
內(nèi)因：無(wú)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(wú)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(shí))表面張力最弱的是酒精。
液體表面張力系數(shù)測(cè)定
液體表面張力的測(cè)定方法分靜力學(xué)法和動(dòng)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(dòng)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(lái)測(cè)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(lái)測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。由于動(dòng)力學(xué)法本身較復(fù)雜, 測(cè)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(cè)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(cè)定方法。
毛細(xì)管上升法
測(cè)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(shí), 液面對(duì)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(cè)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(cè)定當(dāng)片的底邊平行面剛好接觸液面時(shí)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(shí)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(zhǎng)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(duì)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(cè)量ds/de 數(shù)值隨時(shí)間的變化, 懸滴法可方便地用于測(cè)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(shí), 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(jiǎn)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(cè)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(gè)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(lái)的并提出計(jì)算公式, 后經(jīng)過(guò)Cuny和Wolf 等的不斷改進(jìn), 原理是:兩個(gè)同質(zhì)異徑的毛細(xì)管插入被測(cè)液體中, 氣
泡從毛細(xì)管中通過(guò)后到達(dá)液體中, 測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(gè)重要參數(shù).測(cè)量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是測(cè)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?jī)x器直接測(cè)量液體的表面張力，測(cè)量方法直觀，概念清楚.用拉脫法測(cè)量液體表面張力，對(duì)測(cè)量力的儀器要求較高，由于用拉脫法測(cè)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(cè)量力的儀器.新發(fā)展的硅壓阻式力敏傳感器張力測(cè)定儀正好能滿足測(cè)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(hào)顯示，利于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量，為了能對(duì)各類液體的表面張力系數(shù)的不同有深刻的理解，在對(duì)水進(jìn)行測(cè)量以后，再對(duì)不同濃度的酒精溶液進(jìn)行測(cè)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(duì)這個(gè)概念加深理解。
[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯
1.用拉脫法測(cè)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(cè)量一個(gè)已知周長(zhǎng)的金屬片從待測(cè)液體表面脫離時(shí)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(shí)，考慮一級(jí)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(zhǎng)，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(gè)硅擴(kuò)散電阻集成一個(gè)非平衡電橋，當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時(shí)，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時(shí)將有電壓信號(hào)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(cè)定儀包括硅擴(kuò)散電阻非平衡電橋的電源和測(cè)量電橋失去平衡時(shí)輸出電壓大小的數(shù)字電壓表.其他裝置包括鐵架臺(tái),微調(diào)升降臺(tái),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(shí).運(yùn)用公式(1)測(cè)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(gè)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(cè)量與清潔
(1)用游標(biāo)卡尺測(cè)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(qǐng)閱實(shí)驗(yàn)1)
(2)環(huán)的表面狀況與測(cè)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(tái)，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(cè)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(cè)液面平行。
(2)調(diào)節(jié)容器下的升降臺(tái)，使其漸漸上升，將環(huán)片的下沿部分全部浸沒于待測(cè)液體，然后反向調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使液面逐漸下降，這時(shí)，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(cè)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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