内容发布更新时间 : 2024/6/26 22:26:06星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验 液体表面张力系数的测定

液体具有尽量缩小其表面的趋势，好像液体表面是一张拉紧了的橡皮膜一样。我们把这种沿着表面的、收缩液面的力称为表面张力。表面张力的存在能说明物质处于液态时所特有的许多现象，比如泡沫的形成、润湿和毛细现象等等。在工业技术上，如矿物的浮选技术和液体输送技术等方法都要对表面张力进行研究。

液体的表面张力是表征液体性质的一个重要参数。测量液体的表面张力系数有多种方法，常用的有拉脱法、毛细管法、最大气泡压力法等。拉脱法是测量液体表面张力系数常用的方法之一。该方法的特点是，用秤量仪器直接测量液体的表面张力，测量方法直观，概念清楚．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在1×10-3～1×10-2 N之间，因此需要有一种量程范围较小，灵敏度高，且稳定性好的测量力的仪器．近年来，新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪正好能满足测量液体表面张力的需要，它比传统的焦利秤、扭秤等灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量，为了能对各类液体的表面张力系数的不同有深刻的理解，在对水进行测量以后，再对不同浓度的酒精溶液进行测量，这样可以明显观察到表面张力系数随液体浓度的变化而变化的现象，从而对这个概念加深理解。

一、 实验目的

1. 用拉脱法测量室温下液体的表面张力系数 2. 学习力敏传感器的定标方法

二、 实验仪器

液体表面张力测定仪、铁架台、微调升降台、装有力敏传感器的固定杆、玻璃皿、圆环形吊片

三、 实验原理

液体表面层（其厚度等于分子的作用半径，约10-8m）内的分子所处的环境跟液体内部的分子是不同的。在液体内部，每个分子四周都被同类的其他分子所包围，它所受到的周围分子的作用力的合力为零。由于液体上方的气相层的分子数很少，表面层内每一个分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不为零，这个合力垂直于液面并指向液体内部，如图1所示，所以分子有从液面挤入液体内部的倾向，并使液体表面自然收缩，直到处于动态平衡，即在同一时间内脱离液面挤入液体内部的分子数和因热运动而到达液面的分子数相等时为止。

Flφf水面W

图1液体表面层和内部分子受力示意图

fφφf

图2 液体表面张力受力分析

如果将一表面洁净的矩形金属丝框竖直地浸入水中，使其底边保持水平，然后轻轻提起，则其附近的液面将呈现出如图2所示的形状，即丝框上挂有一层水膜。水膜的两个表面沿着切线方向有作用力f，称为表面张力，φ为接触角，当缓缓拉出金属丝框时，接触角φ逐渐减小而趋向于零。这时表面张力f垂直向下，其大小与金属丝框水平段的长度l成正比，故有：

f?2Tl （1） 式中，比例系数T称为表面张力系数，它在数值上等于单位长度上的表面张力。在国际单位制中，T的单位为N?m-1 。表面张力系数T与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关。实验表明，液

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体的温度越高，T值越小；所含杂质越多，T值也越小。因此，在测定T值时，必须注明是在什么温度下测定的，并且要十分注意被测液体的纯度，测量工具（金属丝框、盛液器皿等）应清洁不沾污渍。

在金属丝框缓慢拉出水面的过程中，金属丝框下面将带起一水膜，当水膜刚被拉断时，诸力的平衡条件是：

F?W?2Tl?ldh?g （2） 式中，F为弹簧向上的拉力，W为水膜被拉断时金属丝框的重力和所受浮力之差，l为金属丝框的长度，d为金属丝的直径，即水膜的厚度，h为水膜被拉断时的高度，ρ为水的密度，g为重力加速度，ldhρg为水膜的重量，由于金属丝的直径很小，所以这项值不大。由于水膜有前后两面，所以上式中的表面张力为2Tl。

由（2）式中解得：

T?F?W?ldh?g2l （3）

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。在本实验中，实际的测量金属片为片状吊环，如图3所示，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

F1?f1?f2?????D1?D2? （4）

式中，F1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。

F1R1R3R4R2?UUinf1mgf2

图3 液膜与固体的受力分析图 图4 力敏传感器原理图

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，其原理图如图4所示，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?K??F （5）

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。 片状吊环在液膜拉破前瞬间有：

F1?mg?f1?f2

此时传感器受到的拉力F1和输出电压U1成正比，有：

U1?K?F1

片状吊环在液膜拉破后瞬间有：

F2?mg

同样有：

U2?K?F2

片状吊环在液膜拉破前后电压的变化值可表示为：

U1?U2??U?K??F?K?F1?F2??K?????D1?D2?

由上式可以得到液体的表面张力系数为:

??U1?U2?U （6） ?K?(D1?D2)K?(D1?D2)- 2 -

其中，U1：液膜拉断前瞬间电压表的读数，U2：液膜拉断后瞬间电压表的读数。

四、 实验装置

图5为实验装置图，其中，液体表面张力测定仪包括硅扩散电阻非平衡电桥的电源和测量电桥失去平衡时输出电压大小的数字电压表。其他装置包括铁架台，微调升降台，装有力敏传感器的固定杆，盛液体的玻璃皿和圆环形吊片。实验证明，当环的直径在3cm附近而液体和金属环接触的接触角近似为零时，运用公式（1）测量各种液体的表面张力系数的结果较为正确。

五、 实验内容

(一) 必做部分

图5 液体表面张力测定装置

1. 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，定标步骤如下： (1) 打开仪器的电源开关，将仪器预热；

(2) 在传感器梁端头小钩中，挂上砝码盘，调节调零旋钮，使数字电压表显示为零；

(3) 在砝码盘上分别如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等质量的砝码，记录相应这些砝码力F作用下，数字电压表的读数值U；

(4) 用最小二乘法作直线拟合,求出传感器灵敏度K。 2. 环的测量与清洁

(1) 用游标卡尺测量金属圆环的外径D1和内径D2；

(2) 环的表面状况与测量结果有很大的关系，实验前应将金属环状吊片用净水洗净，然后再将其底部擦拭干净。

3. 液体的表面张力系数

(1) 将金属环状吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台，将液体升至靠近环片的下沿，观察环状吊片下沿与待测液面是否平行，若不平行，将金属环状片取下后，调节吊片上的细丝，使吊片与待测液面平行；

(2) 调节容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降，这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值U1和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值U2；

?U?U1?U2

(3) 将实验数据代人公式（6）中，求出液体的表面张力系数，并与标准值进行比较。 (二) 选做部分

测出其他待测液体，如酒精、乙醚、丙酮等在不同浓度下的表面张力系数 (三) 实验注意事项

1. 必须使吊环保持竖直，以免测量结果引入较大误差；

2. 调节升降台拉起水柱时动作必须轻缓，应注意液膜必须充分地被拉伸开，不能使其过早地破裂，实验过程中不要使平台摇动而导致测量失败或测量不准；

3. 使用力敏传感器时用力不大于0.098N。过大的拉力传感器容易损坏； 4. 实验结束后须将吊环用清洁纸擦干并包好，放入干燥缸内。

六、 实验数据记录及数据处理（见本实验的“原始数据表格”） 七、 思考题（见本实验的“原始数据表格”）

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