液體表面張力系數(shù)的試驗(yàn)論文

1、液體表面張力系數(shù)的試驗(yàn)論文 1液體表面張力的特征 物質(zhì)有三態(tài)、液態(tài)物質(zhì)的表面層由于分子力的作用形成一層如同張緊的橡皮膜一樣的液膜，且有自行收縮的趨勢(shì)，如果在液面作一長(zhǎng)為L(zhǎng)的線段，則線段兩邊液面上有一張力F作用于L且力的方向與線段垂直，大小與線段長(zhǎng)度L成正比。其中比例系數(shù)即稱為液體表面張力系數(shù)，它等于單位長(zhǎng)度直線兩旁液面分子之間的相互作用力，由于組成不同的物質(zhì)的分子不同，且在同一液體中不同溫度分子的動(dòng)能、勢(shì)能不同，分子間的引力不同，所以張力系數(shù)也不同。因此，這種張力系數(shù)就成了描述液體特性的一個(gè)重要參數(shù)。在生物工程、化學(xué)研究中有重要研究意義。目前，測(cè)定液體表面張力系數(shù)的方法常用的有拉脫法、毛細(xì)管法

2、、最大泡壓法和滴重法； 液體中分子之間存在著相互吸引力。表面張力是一種表示液體分子之間吸引力大小的量度。液體分子間隙較氣體的小，分子相互作用較氣體的強(qiáng)，宏觀上和固體相似不易壓縮；液體分子運(yùn)動(dòng)較固體自由，宏觀上和氣體相似具有流動(dòng)性，因液體的分子聚集狀態(tài)不同于固體和氣體，就表現(xiàn)出許多宏觀性質(zhì)：表面張力現(xiàn)象，液體對(duì)固體的潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕現(xiàn)象，彎曲液面內(nèi)外壓強(qiáng)差，毛細(xì)現(xiàn)象，溶解、擴(kuò)散、滲透現(xiàn)象等1。 一方面，液體中的分子向液體表面運(yùn)動(dòng)需要能量。液體表面分子處于部分“裸露”狀態(tài)，與液體中的分子受到的作用力相比，和其它液體分子之間的有利的相互作用力減少。增加液體表面積需要能量：當(dāng)液體表面積變大，更多的分子須從

3、液體內(nèi)部向表面遷移，從能量的觀點(diǎn)來看這是不利的。分子之間的作用力越強(qiáng)，增加液體表面積所需要的能量就越大。表面張力就是用來說明增加單位表面積所需要的能量。另一方面，液體分子之間存在彼此相互作用力。對(duì)于位于液體表面的分子，由于鄰近分子對(duì)表面分子的吸引作用力分布不均勻，結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)指向液體內(nèi)部的凈作用力： 2液體表面張力系數(shù) 21液體表面張力系數(shù)的內(nèi)涵 因?yàn)橐后w表面層的分子與內(nèi)部分子周圍的狀況不同，內(nèi)部分子所受鄰近相同分子的作用力是對(duì)稱的，各方面的力相互抵消；但表面層分子一方面受到本相分子的作用，另一方面受到性質(zhì)不同的另一相分子的作用。由于兩相分子性質(zhì)不同，液體表面層里分子受力的球?qū)ΨQ性遭到破壞而受

4、到指向液體內(nèi)部的合力作用，因此如果把一個(gè)分子從內(nèi)部移到表面或增大表面積時(shí)，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的吸引力而對(duì)體系作功，稱表面功。 由液體表面張力系數(shù)的定義：，可以推倒出液體表面張力和表面張力系數(shù)的關(guān)系為：；式中為液體表面上的一條直線段，為直線段兩側(cè)的拉力，即作用在上的表面張力，比例系數(shù)就是該液體在指定條件（溫度、壓強(qiáng)、液面外的物質(zhì)等）的表面張力系數(shù)，它表示單位長(zhǎng)度直線段兩測(cè)液面的相互拉力，拉力在液面的切面內(nèi)，垂直于界線并指向產(chǎn)生它的的液面一方，如果液面是曲面，可選取足夠小，當(dāng)做直線段來處理2。 我們還可以導(dǎo)出當(dāng)液體表面在等溫過程中增大表面積時(shí)和外力所作的功有以下的關(guān)系： （1） 為液體的表

5、面張力系數(shù)，其單位。即表面張力系數(shù)等于在等溫過程中增加單位表面積時(shí)外力所作的功。 22液體表面張力系數(shù)的影響因素 （1）溫度對(duì)液體表面張力系數(shù)的影響 分子從本體相運(yùn)動(dòng)到表面實(shí)際是擴(kuò)大表面，需要對(duì)其做功，通過推導(dǎo)有3： （2） 上式中，的值等于在溫度不變，擴(kuò)大單位表面積所吸的熱，這是正值，所以，故的值將隨著溫度的升高而降低。 （2）濃度對(duì)液體表面張力系數(shù)的影響 在純液體中加入雜質(zhì)時(shí)，體系的表面張力會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)試驗(yàn)，稀溶液的表面張力和濃度的關(guān)系大致可分為3類，第一類的特征是濃度增加時(shí)，溶液的表面張力隨之下降，大多數(shù)非離子型的有機(jī)物如短鏈脂肪酸、醇、醛類的水溶液都有此行為，第二類溶液的特征

6、是，當(dāng)液體的濃度增加時(shí)，溶液的表面張力隨濃度上升，第三類的特征是，它與第一類曲線不同，當(dāng)溶液很稀時(shí)，隨濃度的增加而急劇下降，（為密度）。隨后大致不隨濃度而變，(有時(shí)也可能會(huì)出現(xiàn)最低值，是由于溶液中含有雜質(zhì)之故)，當(dāng)把表面活性物質(zhì)加入到體系中時(shí)，則會(huì)被吸附在該體系的表面上，使這些表面的表面自由能明顯降低，從而降低表面張力系數(shù)，表面活性物質(zhì)的這種性質(zhì)和其結(jié)構(gòu)有關(guān)3。 （3）液體表面張力系數(shù)和物理化學(xué)的關(guān)系 在學(xué)生的生活中，洗滌過程是每天都會(huì)發(fā)生的事，表面張力是表面活性劑水溶液的一種重要的物理化學(xué)性質(zhì)，而表面活性劑又是洗滌液的主要成分，故表面張力系數(shù)與洗滌作用的關(guān)系必然有一定的規(guī)律，例大多數(shù)優(yōu)良的洗

7、滌劑溶液均具有較低的表面張力與界面張力，根據(jù)固體表面潤(rùn)濕的原理，對(duì)于一定的固體表面，較低表面張力系數(shù)的液體有較好的潤(rùn)濕性能，從而才可能進(jìn)一步起洗滌作用，次外較低表面、界面張力有利于液體油污的清除，也有利于油污的乳化，因而有利于洗滌作用的發(fā)生， 由此可見，表面張力系數(shù)與液體的種類有關(guān)，和成分有關(guān)，容易揮發(fā)的液體的表面張力系數(shù)較小。表面張力系數(shù)還與溫度有關(guān)，溫度升高表面張力系數(shù)減小，當(dāng)液體趨近于臨界溫度時(shí)，表面不復(fù)存在，表面張力系數(shù)趨于零。 3常用測(cè)量液體表面張力系數(shù)的方法 圖1毛細(xì)管 測(cè)量液體表面張力系數(shù)有多種方法，常用的有拉脫法、滴定法、毛細(xì)管法、最大泡壓法等。傳統(tǒng)的拉脫法可分為Wilhelm

8、y吊片法、脫環(huán)法和提板法等，雖然采用的與液面相接觸的物體的形狀各不相同，但一般存在以下問題4：（1）儀器穩(wěn)定性不高，重復(fù)性差，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度均受到一定的限制；（2）用鉑絲制成的圓環(huán)或刀口容易變形和斷裂，給實(shí)驗(yàn)帶來不便；（3）吊片或提板過長(zhǎng)時(shí)難以保持其平衡和接觸角為零。采用一定高度、一定直徑的圓環(huán)型吊片進(jìn)行測(cè)量，既保持了吊片法和脫環(huán)法各自的優(yōu)點(diǎn)，又避免了兩者的缺點(diǎn)，有效地提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。 除液態(tài)金屬外，一般液體的表面張力數(shù)值均較小，容易蒸發(fā)的液體的表面張力就更小。傳統(tǒng)的測(cè)量微小拉力的裝置主要有焦利秤、扭秤等，操作難度大，靈敏度和穩(wěn)定性差，因而準(zhǔn)確度低。面張力系數(shù)是物質(zhì)的一個(gè)重要物理屬性數(shù)據(jù)，現(xiàn)在

9、教材和參考書中測(cè)定表面張力系數(shù)的方法常見的有以下幾種。 （1）毛細(xì)管升高法 這個(gè)方法研究得較早，在理論上和實(shí)驗(yàn)上都比較成熟，如圖1所示。將干凈的毛細(xì)管插入液體中時(shí)，可見到液體在毛細(xì)管中上升到一定高度，此時(shí)液柱的重力被向上拉的表面張力所平衡： （3） （4） 式中，是接觸角，為表面張力系數(shù)，是液體密度，為重力加速度，為液柱的高度，為毛細(xì)管半徑。 在推導(dǎo)過程中，我們只考慮了毛細(xì)管內(nèi)球面最低點(diǎn)以下的重力，忽略了液柱高度h以上管內(nèi)半球面周圍環(huán)形液體的重力，這部分體積約，重力為修正后得出用主細(xì)管法測(cè)液體表面張力系數(shù)的原理式。設(shè)玻璃被液體完全潤(rùn)濕則，計(jì)入毛細(xì)管中彎月面部分的液體重，則上式修正為 （5） （

10、2）拉脫法 測(cè)量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法就是一種直接測(cè)量法：直接測(cè)出液面繃在長(zhǎng)度確定的邊界上的表面張力，如果在液體表面想象一條直線段，那么，表面張力就表現(xiàn)為線段兩邊的的液面會(huì)以一定的拉力相互作用，此拉力方向垂直于線段，大小與此線段的長(zhǎng)度L成正比，即。其中，為液體表面張力系數(shù)，國際制中單位為牛頓/米，記為，數(shù)值上等于作用在液體表面單位長(zhǎng)度上的力的大小。 具體試驗(yàn)中，將一門形細(xì)金屬絲框從浸入被測(cè)液內(nèi)被緩慢向上拉出液面時(shí)，金屬絲提起一層液膜，設(shè)金屬絲直徑為a，拉起的液膜破裂的一瞬間的拉力為F，膜拉出液面的高度為h，膜的寬度等于金屬框內(nèi)寬b，由于金屬框前后液膜有兩個(gè)表面，則表面張力為2b，根據(jù)力平衡原理并考慮到液膜本身的重量，則有 即得，用金屬框拉脫法，液體表面張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理式： 式中，為被測(cè)液體的密度，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?拉脫法測(cè)定液體表面張力系數(shù)是基于液體與固體接觸時(shí)的表面現(xiàn)象提出的。由分子運(yùn)動(dòng)論可知，當(dāng)液體分子和與其接觸的固體分子之間的吸引力大于液體分子的內(nèi)聚力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生液體浸潤(rùn)固體的現(xiàn)象。 參考文獻(xiàn)： 1王竹溪.熱力學(xué)M.北京:人民教育出版社，1995.70-97. 2朱曙華.液體表面張力的研究J.湖南理工學(xué)報(bào)，2004(1):54-55. 3閡愛琳等.表面張力與溫度關(guān)系的探討J.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1999(3):65-66. 4楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)M.北