表面张力的测定(表面张力的测试原理和方法)

表面张力的测定
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撰稿人:宁欣 包津维 俞浩 程通 

一、表面张力

1产生原因

表面张力,是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力,是保持表面膜的单位长度平衡(N/m)所需的力。

力学角度理解:当液体与气体接触时,处于表面的液体分子少,没有足够的引力使其像内部分子一样自由移动,整个表面受到内部的拉力,液体的自由表面有收缩的倾向,表面分子表现出相互结合的内聚力,即表面张力。

能量角度理解:在单位长度上产生液体单位表面所需的功,即在单位长度上将内部分子移至表面层消耗的能量。

表面张力不出现在一个平面上,因为平面力是平衡的。如果表面是弯曲的,表面张力会产生压力差维持平衡。

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常见现象及解释

荷叶上的露珠,一根针能够平稳地浮在水面上,水龙头滴下水滴为球形、毛细现象等等。生活中常见的气泡、液滴的形成也是由于表面张力所致。

以露珠为例:
(1)露珠由分子构成,并且分子间存在作用力,但内部分子力和液面处的分子力作用方式不同。
(2)露珠内部分子间引力与斥力平衡,但表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小,在这个特殊层中分子间的引力作用占优势,这种牵引力(表面张力)促使了露珠表面层具有收缩的趋势。
(3)由于表面张力的作用,露珠表面总是尽可能缩小,因此露珠往往呈圆球形状。

二、表面张力测量

1测量原理

液体表面张力的测定方法可分为静力学法和动力学法。

静力学方法测量原理为二力平衡,通过其它力与表面张力二力平衡,从而测出表面张力。动力学方法测量原理因测量方法不同而不同。

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测量方法

静力学测量方法包括毛细管上升法、Wilhelmy盘法、滴体积法、最大气泡压力法等。动力学法有震荡射流法、旋滴法、悬滴法。

由于动力学法较为复杂,受科技的发展,测试精度并不高,致使此类测定方法成功应用并不广泛且应用实例很少。因此,到目前为止,实际生产中多采用静力学测定方法。

三、常用测量方法

1Wilhelmy盘法

测定原理:用铂片,云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链试天平上,测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力,由此得表面张力。公式为:
式中,W总 为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片 为薄片的重力,l为薄片的宽度,薄片与液体的接触的周长近似为2倍l,φ为薄片与液体的接触角。由此可以计算出表面张力γ大小。

优点:此实验是常用的实验,简单,操作方便,具有完全平衡的特点。不仅可用于测定气-液表面张力,也可用于测定液-液界面张力。

缺点:要求是液体必须很好地湿润薄片,保持接触角为零;测定时稳定慢,不适合及时测量。

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毛细管上升法

测定原理:如下图,当干净的毛细管浸入液体中时,液体在毛细管中上升到一定高度,此液柱的重力被向上拉的表面张力所平衡:
式中:θ是接触角,σ是表面张力,ρ是液体密度,g是重力加速度,h为液柱面,r为毛细管半径。

设玻璃被液体完全润湿,则θ=0,上式变为:
若计入毛细管中弯月部分的液体重(下图中阴影部分)则上式修正为:
特点及适用范围:
毛细管上升法是测定表面张力最准确的一种方法,目前还一直用毛细管上升法所测定的表面张力数据作为标准。

只用一根毛细管作测定时有下列缺点,这些缺点可用双毛细管得到克服:
① 不易选得半径均匀的毛细管和准确测定半径值;
② 需要较多的液体才能获得水平基准面;
③ 基准液面的确定可能产生误差。
由于在计算中假定θ=0,所以该法只能测定能完全润湿毛细管的液体,但不能用于测定碱性溶液。

用此法测定表面张力时,要注意选择管径均匀,透明干净的毛细管,管壁不能有任何污物,毛细管浸入液体时要与液面相垂直。

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挂环法

测定原理:用一个初始浸在液体的环从液体中缓慢拉出液体膜,用力传感器测量提高到一定高度所需的力。当吊环与页面接触后,在缓慢上升时由于也液体的表面张力作用,会形成一段水柱,如图,此时,向上的总拉力F与液柱质量相等,也等于内外两边的表面张力之和。

当液体膜即将破裂时,拉力可以表示为:
其中,D1和D2分别为圆环的内径和外径, 为表面张力,测出力F和圆环内径外径,即可求出表面张力:

参考文献:
[1]Prandtl, Essentials of fluid dynamics, 1952
[2]Valery V Krotov,Victor A Prokhorov,Sergey Yu Pavlov,Anatoly I Rusanov. Method of touching drops: a new method for measuring the surface and interfacial tension of liquids[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects,1995,104(2).
[3]Fluid Mechanics and Machinery by C.P. Kothandaraman, R. Rudramoorthy
[4]丁祖荣.流体力学.高等教育出版社2013
[5]马航海编著.简明工程流体力学,武汉大学出版社,2016.05

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