流体表面张力系数的测定

液体表面张力系数的测量方法的研究

摘要：液体表面张力即液体分子之间的内聚力使得液体表面上存在

着一种应力。液体表面张力使得液体表面犹如张紧的弹性膜,具有自发收缩的趋势,单位长度液膜上的表面张力的大小为液体的表面张力系数。液体表面张力系数是表征表面张力大小的物理量,是讨论液体表面现象,了解液体性质的重要物理参量。它与温度、压强、密度、 液体的黏度 、纯度、气相或液相组成以及液体种类等有关。 液体表面张力系数的传统测量方法有很多种,近年来采用新型传感器和计算机等手段对传统方法进行改进的新装置也不断涌现。目前,测量液体表面张力系数常用的方法有拉平法和拉脱法,另外还有毛细管上升法、U型管法、W il-helmy盘法、滴重法和滴体积法、悬滴法、静滴法、拉环法、大气泡压力法、吊片法、Jaeger法和水波频闪法等。本文使用labview F1软件记录数据，采用拉脱法测CCl4溶液与不同浓度的Nacl溶液界面、不同浓度的NaCl溶液与空气界面的表面张力系数，并根据实验数据可得出，随着NaCl溶液浓度的增加，溶液的表明张力稍有升高；表面活性剂可以很好的改变液体表面的力学性质降低表面张力

关键词：黏度 浓度 NaCl CCl4 拉脱法 表面活性剂

一、实验的理论依据

（一） 液体与另一种不相混溶的液体接触，其界面产生的力叫液相与液相间的界面张力（如图1界面2）。从微观上看,表面张力是因液体表面薄层内分子间的相互作用,它不同于液体内部分子间的相互作用,从而使液体表面层具有一种特殊性质。液态物质的表面层由于分子

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力的作用形成一层如同张紧的橡皮膜一样的液膜,且有自行收缩的趋势,如果在液面作一长为L的线段,则线段两边液面上有一张力F作用于L且力的方向与线段垂直,大小与线段长度L成正比,即:F=α·L

其中的α称为液体表面张力系数,它等于单位长度直线两旁液面分子之间的相互作用力,由于组成不同的物质的分子不同,且在同一液体中不同温度分子的动能、势能不同,分子间的引力不同,所以张力系数也不同。测量一个已知周长的金属片从待测液体表面脱离时需要的力，求得该液体表面张力系数的实验方法称为拉脱法．

（二）若金属片为环状吊片时，考虑一级近似，可以认为脱离力为表面张力系数乘上脱离表面的周长，即

F=απ(D1十D2 ) （1）

式中，F为脱离力，D1，D2分别为圆环的外径和内径，α为液体的表面张力系数． 硅压阻式力敏传感器由弹性梁和贴在梁上的传感器芯片组成，其中芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于金属梁时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与所加外力成正此，即 △U=KF=U前-U后 （2）

式中，F为外力的大小，K为硅压阻式力敏传感器的灵敏度，△U为传感器输出电压的大小。

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图1 图2

本实验就是在气-液（如图1界面1）、液-液（如图1界面2）两相的过渡区内假想划定一个无厚度的、理想的几何面（如图2），实际体系分为两相。 （三）表面张力与浓度的关系：α = α0+ kc α0:纯溶剂的表面张力 K:经验常数

一般来说，无机盐水溶液的k值与它熔融时的表面张力一致。

2

随着NaCl溶液浓度的增加，溶液的表明张力稍有升高。NaCl在水中可解离为正负离子，使溶液中分子之间的相互作用增强，是溶液表面张力升高。

（四）表面活性剂的极性基或离子性基团与水分子间有强烈的相互吸引作用，而非极性基团却有逃离水的趋势.

表面活性剂吸附的理论和实际意义： 1 改变溶液表面组成

2 改变液体表面的力学性质，从而降低表面张力。 二、实验过程与数据分析 （一）力敏传感器的定标

每个力敏传感器的灵敏度都有所不同，在实验前，应先将其定标，在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，使数字电压表示数稳定然后在砝码盘上分别加0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，直接计算出传感器灵敏度K. 用游标卡尺测量金属圆环的外径D1和内径D2

试验中 测得 内径D2 (mm) 34.70 34.85 34.85 平均值：34.80

外径D1 (mm) 37.90 37.80 37.90 平均值：37.87

（二）液体的表面张力系数（CMC-IV型磁性液体表观密度智能控制器）labviewF1软件时刻

采集传感器的电压变化 △U＝U断前电压-U断后电压

（三）在室温的条件下，分别测自来水、四氯化碳、蜂蜜的表面张力的原始数据见附录。 （四）在室温的条件下，分别测自来水、四氯化碳、蜂蜜的表面张力系数关系如下表及图。

表1 几种液体加入洗洁精前后的表面张力系数 溶液 系数 表面张 力系数*10^-3(N/m) 加洗 洁精后*10^-3(N/m)

四氯化碳 纯水 蜂蜜1 41.93497 67.73049 67.17871 28.14057 36.83104 11.72524 3

图3表面活性剂对表面张力系数的影响

传统观念上认为，表面活性剂是一类即使在很低浓度时也能显著降低表（界）面张力的物质。无论何种表面活性剂，其分子结构均由两部分构成。分子的一端为非极亲油的疏水基，有时也称为亲油基；分子的另一端为极性亲水的亲水基，因此表面活性剂的分子能定向的排列于任意两相之间的界面层中，是界面不饱和力场得到某种程度的补偿，从而使界面张力系数降低。测蜂蜜表面张力系数时，加入了大量的洗洁精，故其前后变化最明显。

（五）在相同条件下 ，分别测1mol/l、 2 mol/l、 3 mol/l、 4 mol/l、5 mol/l氯化钠溶液与四氯化碳界面和空气界面的表面张力系数，其数据处理如下：

表2 不同浓度的盐溶液和不同界面的表面张力系数

浓度 项目 断前 电压 断后 电压 表面张力 系数*10^-3(N/m) 断前 电压 断后 电压 表面张 力系数*10^-3(N/m)

四氯化碳+1mol/l 65.1 57.7 四氯化碳+2mol/l 63.9 50.5 四氯化碳+3mol/l 73.2 62.6 四氯化碳+4mol/l 72.9 60.2 四氯化碳+5mol/l 65.9 51.6 10.20785 18.48449 14.62206 17.51888 19.72599 142.5 107.2 125.6 85 129.7 92.2 130.6 92.5 133.3 93.5 48.69422 56.00525 51.72899 52.55665 54.9017 4