液體表面張力系數(shù)的試驗論文

導(dǎo)語：液體表面張力系數(shù)的試驗論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

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，如果­在液面作一長為L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能、勢能不同，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重要參數(shù)。在生物工程、化學研究中有重要研究意義。目前，測定液體表面張力系數(shù)的方法常用的有拉脫法、毛細管法、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，宏觀上和固體相似不易壓縮；液體分子運動較固體自由，宏觀上和氣體相似具有流動性，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，液體對固體的潤濕和不潤濕現(xiàn)象，彎曲液面內(nèi)外壓強差，毛細現(xiàn)象，溶解、擴散、滲透現(xiàn)象等[1]。

一方面，液體中的分子向液體表面運動需要能量。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：當液體表面積變大，更多的分子須從液體內(nèi)部向表面遷移，從能量的觀點來看這是不利的。分子之間的作用力越強，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。對于位于液體表面的分子，由于鄰近分子對表面分子的吸引作用力分布不均勻，結(jié)果產(chǎn)生一個指向液體內(nèi)部的凈作用力：

2液體表面張力系數(shù)

2．1液體表面張力系數(shù)的內(nèi)涵

因為液體表面層的分子與內(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性遭到破壞而受到指向液體內(nèi)部的合力作用，因此如果把一個分子從內(nèi)部移到表面或增大表面積時，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的吸引力而對體系作功，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、液面外的物質(zhì)等）的表面張力系數(shù)，它表示單位長度直線段兩測液面的相互拉力，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，當做直線段來處理[2]。

我們還可以導(dǎo)出當液體表面在等溫過程中增大表面積時和外力所作的功有以下的關(guān)系：

（1）

為液體的表面張力系數(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外力所作的功。

2．2液體表面張力系數(shù)的影響因素

（1）溫度對液體表面張力系數(shù)的影響

分子從本體相運動到表面實際是擴大表面，需要對其做功，通過推導(dǎo)有[3]：

（2）

上式中，的值等于在溫度不變，擴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）濃度對液體表面張力系數(shù)的影響

在純液體中加入雜質(zhì)時，體系的表面張力會發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)試驗，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，溶液的表面張力隨之下降，大多數(shù)非離子型的有機物如短鏈脂肪酸、醇、醛類的水溶液都有此行為，第二類溶液的特征是，當液體的濃度增加時，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，當溶液很稀時，隨濃度的增加而急劇下降，（為密度）。隨后大致不隨濃度而變，(有時也可能會出現(xiàn)最低值，是由于溶液中含有雜質(zhì)之故)，當把表面活性物質(zhì)加入到體系中時，則會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)和物理化學的關(guān)系

在學生的生活中，洗滌過程是每天都會發(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)固體表面潤濕的原理，對于一定的固體表面，較低表面張力系數(shù)的液體有較好的潤濕性能，從而才可能進一步起洗滌作用，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，當液體趨近于臨界溫度時，表面不復(fù)存在，表面張力系數(shù)趨于零。

3常用測量液體表面張力系數(shù)的方法

圖1毛細管

測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、毛細管法、最大泡壓法等。傳統(tǒng)的拉脫法可分為Wilhelmy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，實驗準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，給實驗帶來不便；（3）吊片或提板過長時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)型吊片進行測量，既保持了吊片法和脫環(huán)法各自的優(yōu)點，又避免了兩者的缺點，有效地提高了實驗的準確度。

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，因而準確度低。面張力系數(shù)是物質(zhì)的一個重要物理屬性數(shù)據(jù)，現(xiàn)在教材和參考書中測定表面張力系數(shù)的方法常見的有以下幾種。

（1）毛細管升高法

這個方法研究得較早，在理論上和實驗上都比較成熟，如圖1所示。將干凈的毛細管插入液體中時，可見到液體在毛細管中上升到一定高度，此時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，為毛細管半徑。

在推導(dǎo)過程中，我們只考慮了毛細管內(nèi)球面最低點以下的重力，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管法測液體表面張力系數(shù)的原理式。設(shè)玻璃被液體完全潤濕則，計入毛細管中彎月面部分的液體重，則上式修正為

（5）

（2）拉脫法

測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量法：直接測出液面繃在長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度上的力的大小。

具體試驗中，將一門形細金屬絲框從浸入被測液內(nèi)被緩慢向上拉出液面時，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表面，則表面張力為2bα，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)的實驗原理式：

式中，ρ為被測液體的密度，g為當?shù)刂亓铀俣取?/p>

拉脫法測定液體表面張力系數(shù)是基于液體與固體接觸時的表面現(xiàn)象提出的。由分子運動論可知，當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，就會產(chǎn)生液體浸潤固體的現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]王竹溪.熱力學[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].湖南理工學報，2004(1):54-55.

[3]閡愛琳等.表面張力與溫度關(guān)系的探討[J].大學物理實驗，1999(3):65-66.

[4]楊述武.普通物理實驗[M].北京:高等教育出版社，2000.232-254.

摘要：本文闡述液體表面張力的基本特征，分析了液體表面張力系數(shù)的主要影響因素，最后分析了常用的液體表面張力系數(shù)的測試方法。

關(guān)鍵詞：液體；張力系數(shù)；試驗