液体表面张力系数测定的讲义.docVIP

液体表面张力系数测定 编者：黄彦 【实验目的】 （1） 了解力敏传感器的原理和掌握其标定方法 （2） 了解液体表面的性质，用拉脱法测定液体表面张力系数。 【实验仪器】 DH4607型液体表面张力系数测定仪，其它配置为：硅压阻力敏传感器1只，测试玻璃皿1只，配件盒（吊环1只，外径3.5cm，内径3.3cm，高0.8cm；砝码盘1只，0.5g砝码7只，镊子1个，水准泡1个），纯净水，NaOH溶液。 图1液体表面张力系数测定仪 1.力敏传感器；2.吊环；3.玻璃器皿；4.升降螺丝；5.调节螺丝；6.底座；7.固定螺丝；8.数字电压表；9.调零旋钮 【实验原理】 1. 液体的表面张力 液体与空气接触形成表面层，其厚度的数量级与分子力作用球半径的数量级相同。由于表面层内液体分子受力情况不同于液体内部，使得液体表面具有一种不同于液体内部的特殊性质。即液体内部相邻液体间的相互作用表现为压力，而液体表面相邻液面间的相互作用则表现为张力。由于这种力的存在，引起弯曲液面内外出现压强差，以及常见的毛细现象等。许多现象表明，液体表面有自动收缩的趋势。 这一事实可以通过以下实验进行观察和分析。取一个钢丝制成的矩形框架如图2(a)，矩形的一边AB可以在框架上自由滑动。将框架浸入浓肥皂液后取出，框架上就会形成一个矩形肥皂膜ABCD，用手轻轻扶住AB两端，即加以外力F外，液膜面积可保持不变。如果除去外力，则见到液膜自动收缩如图2(b)。在图2中，当AB边保持平衡时，可以通过测定外力的大小来测出表面张力。实验事实表明，表面张力f的大小与液面的周界(或截线)长度l成正比，即 (1) (1)式中比例系数?称为表面张力系数（单位：N?m-1），其数值等于液面上作用在每单位长度截线(或周界)上的表面张力。注意在图2的实验中，因液膜有两个表面，所以钢丝A、B受力情况从横断面看如图2(c)所示，所以平衡时有 （2） 表面张力系数的大小主要由物质种类决定。一般说来，易挥发的液体?值小，?还跟与液体相邻的物质种类以及液体温度有关。温度越高，?值越小。表1列出了在不同温度下某些液体(与空气或水的交界面)的表面张力系数。此外，表面张力还与液体所含杂质有关，有的杂质能使液体表面张力系数减小。 表1 一些液体(与空气或水的交界面)的表面张力系数 液体种类 t/℃ ? (×10-3)/ N?m-1 水(与空气) 0 75.60 10 74.22 15 73.22 18 73.00 20 72.75 25 71.97 30 71.18 50 67.90 100 58.80 水银(与空气) 18 490 水银(与水) 20 472 酒精(与空气) 18 23 乙醚(与空气) 20 16.5 肥皂水(与空气) 20 40 2. 拉脱法 测量表面张力系数的常用方法：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。此实验中采用了拉脱法。拉脱法是直接测定法，通常采用物体的弹性形变（伸长或扭转）来量度力的大小。 用测量一个已知周长的金属圆环或金属片，从待测液体表面脱离时所需要的力，求得该液体表面张力系数的方法称为拉脱法。 实验中采用金属圆环，将其底部水平浸入液面中，然后缓慢地使液面下降。当金属环底部高于液面时，金属环和液面间形成一环形液膜。金属环受力情况如图3所示，由于液面是缓慢匀速下降的，所以金属环处于平衡状态。拉力F、液体的表面张力f、金属环所受重力mg（液膜很薄忽略不计）有下面的关系： (3) 式中?是液面与金属环的接触角。金属环临脱离液面时有 ， (4) 金属环脱离液面后 (5) 液体表面张力系数 (6) 式中D1、D2分别是圆环的内外直径。 3. 硅压阻式力敏传感器（SPPT） 用拉脱法测量液体表面张力，对测量力的仪器要求较高，由于用拉脱法测量液体表面的张力约为10-3~10-2N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且为稳定性好的测量力的方法。近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器正好能满足液体表面张力测量需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高、稳定性好，可数字显示以便于计算机实时测量记录。 硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的。在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，作为力——电变换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，电桥失去平衡时，若对电桥加激励电源（恒流和恒压），便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。硅压阻式压力传感器由3个基本部分组成（图3.2）：①基体，直接承受被测应力；②波纹膜片，将被测应力传递到芯片；③芯片，检