液體表面張力系數(shù)的測(cè)定(20211111181855)

1、實(shí)驗(yàn) 液體外表張力系數(shù)的測(cè)定液體具有盡量縮小其外表的趨勢(shì)， 好似液體外表是一張拉緊了的橡皮膜一樣。 我們把這種沿著外表的、 收縮液面的力稱為外表張力。外表張力的存在能說明物質(zhì)處于液態(tài)時(shí)所特有的許多現(xiàn)象，比方泡沫的形成、潤(rùn)濕和毛細(xì)現(xiàn)象等等。在工業(yè)技術(shù)上，如礦物的浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)等方法都要對(duì)外表張力進(jìn)行研究。液體的外表張力是表征液體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)。測(cè)量液體的外表張力系數(shù)有多種方法，常用的有拉 脫法、毛細(xì)管法、最大氣泡壓力法等。拉脫法是測(cè)量液體外表張力系數(shù)常用的方法之一。該方法的特點(diǎn)是,用秤量?jī)x器直接測(cè)量液體的外表張力，測(cè)量方法直觀，概念清楚用拉脫法測(cè)量液體外表張力，對(duì)測(cè)量力 的儀器要求較

2、高，由于用拉脫法測(cè)量液體外表的張力約在1 X10-31 X10-2 N之間，因此需要有一種量程范圍較小，靈敏度高，且穩(wěn)定性好的測(cè)量力的儀器.近年來，新開展的硅壓阻式力敏傳感器張力測(cè)定儀正好 能滿足測(cè)量液體外表張力的需要，它比傳統(tǒng)的焦利秤、扭秤等靈敏度高，穩(wěn)定性好，且可數(shù)字信號(hào)顯示， 利于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量，為了能對(duì)各類液體的外表張力系數(shù)的不同有深刻的理解，在對(duì)水進(jìn)行測(cè)量以后，再 對(duì)不同濃度的酒精溶液進(jìn)行測(cè)量，這樣可以明顯觀察到外表張力系數(shù)隨液體濃度的變化而變化的現(xiàn)象，從 而對(duì)這個(gè)概念加深理解。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 用拉脫法測(cè)量室溫下液體的外表張力系數(shù)2. 學(xué)習(xí)力敏傳感器的定標(biāo)方法二、實(shí)驗(yàn)儀器液體外表張

3、力測(cè)定儀、鐵架臺(tái)、微調(diào)升降臺(tái)、裝有力敏傳感器的固定桿、玻璃皿、圓環(huán)形吊片三、實(shí)驗(yàn)原理液體外表層其厚度等于分子的作用半徑，約10-8m內(nèi)的分子所處的環(huán)境跟液體內(nèi)部的分子是不同的。在液體內(nèi)部，每個(gè)分子四周都被同類的其他分子所包圍，它所受到的周圍分子的作用力的合力為零。 由于液體上方的氣相層的分子數(shù)很少，外表層內(nèi)每一個(gè)分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不為 零，這個(gè)合力垂直于液面并指向液體內(nèi)部，如圖1所示，所以分子有從液面擠入液體內(nèi)部的傾向，并使液體外表自然收縮，直到處于動(dòng)態(tài)平衡，即在同一時(shí)間內(nèi)脫離液面擠入液體內(nèi)部的分子數(shù)和因熱運(yùn)動(dòng)而到達(dá) 液面的分子數(shù)相等時(shí)為止。圖2液體外表張力受力分析圖i液

4、體外表層和內(nèi)局部子受力示意圖f,稱f垂直(1)T如果將一外表潔凈的矩形金屬絲框豎直地浸入水中，使其底邊保持水平，然后輕輕提起，那么其附近的 液面將呈現(xiàn)出如圖 2所示的形狀，即絲框上掛有一層水膜。水膜的兩個(gè)外表沿著切線方向有作用力 為外表張力，$為接觸角，當(dāng)緩緩拉出金屬絲框時(shí)，接觸角$逐漸減小而趨向于零。這時(shí)外表張力向下，其大小與金屬絲框水平段的長(zhǎng)度I成正比，故有：f =2TI式中，比例系數(shù) T稱為外表張力系數(shù)，它在數(shù)值上等于單位長(zhǎng)度上的外表張力。在國(guó)際單位制中， 的單位為N?m-1。外表張力系數(shù) T與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。實(shí)驗(yàn)說明,體的溫度越高，T值越??；所含雜質(zhì)越多，

5、 T值也越小。因此，在測(cè)定 T值時(shí)，必須注明是在什么溫度下 測(cè)定的，并且要十分注意被測(cè)液體的純度，測(cè)量工具(金屬絲框、盛液器皿等)應(yīng)清潔不沾污漬。在金屬絲框緩慢拉出水面的過程中，金屬絲框下面將帶起一水膜，當(dāng)水膜剛被拉斷時(shí)，諸力的平衡條 件是：F =W 2TI Idh -g(2)式中，F(xiàn)為彈簧向上的拉力， W為水膜被拉斷時(shí)金屬絲框的重力和所受浮力之差，I為金屬絲框的長(zhǎng)度，d為金屬絲的直徑，即水膜的厚度，h為水膜被拉斷時(shí)的高度，p為水的密度，g為重力加速度，Idh pg為水膜的重量，由于金屬絲的直徑很小，所以這項(xiàng)值不大。由于水膜有前后兩面，所以上式中的外表張力為 2TI。由(2)式中解得：T _

6、F -W -Idh 巾2I(測(cè)量一個(gè)周長(zhǎng)的金屬片從待測(cè)液體外表脫離時(shí)需要的力，求得該液體外表張力系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法稱為拉脫法。在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際的測(cè)量金屬片為片狀吊環(huán)，如圖3所示，考慮一級(jí)近似，可以認(rèn)為脫離力為外表張力系數(shù)乘上脫離外表的周長(zhǎng)，即Fi = £ f2 - ： : D1 D2(式中，F(xiàn)1為脫離力，D1, D2分別為圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑，a為液體的外表張力系數(shù)。(3)(4)圖3液膜與固體的受力分析圖圖4力敏傳感器原理圖硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其原理圖如圖4所示，其中芯片由四個(gè)硅擴(kuò)散電阻集成一個(gè)非平衡電橋，當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時(shí)，在壓力作用下，電橋失去平衡

7、，此時(shí)將有 電壓信號(hào)輸出，輸出電壓大小與所加外力成正此，即AU = K 迅F( 5)式中， F為外力的大小，K為硅壓阻式力敏傳感器的靈敏度， U為傳感器輸出電壓的大小。片狀吊環(huán)在液膜拉破前瞬間有：h =mg 仃 f?此時(shí)傳感器受到的拉力 Fi和輸出電壓Ui成正比，有：UK Fi片狀吊環(huán)在液膜拉破后瞬間有：F?二 mg同樣有：UK F2K R - F2二 K ：； ； D1D2片狀吊環(huán)在液膜拉破前后電壓的變化值可表示為：U1 _U2 =二 K由上式可以得到液體的外表張力系數(shù)為a =K二(Di D2)KgD2)其中，Ui :液膜拉斷前瞬間電壓表的讀數(shù)，U2:液膜拉斷后瞬間電壓表的讀數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)裝置

8、圖5液體外表張力測(cè)定裝置圖5為實(shí)驗(yàn)裝置圖，其中，液體外表張力測(cè)定儀包括 硅擴(kuò)散電阻非平衡電橋的電源和測(cè)量電橋失去平衡時(shí)輸出 電壓大小的數(shù)字電壓表。其他裝置包括鐵架臺(tái)，微調(diào)升降 臺(tái)，裝有力敏傳感器的固定桿，盛液體的玻璃皿和圓環(huán)形 吊片。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)環(huán)的直徑在 3cm附近而液體和金屬環(huán) 接觸的接觸角近似為零時(shí)，運(yùn)用公式(1 )測(cè)量各種液體的外表張力系數(shù)的結(jié)果較為正確。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(一) 必做局部1. 力敏傳感器的定標(biāo)每個(gè)力敏傳感器的靈敏度都有所不同，在實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)先將其定標(biāo)，定標(biāo)步驟如下：(1) 翻開儀器的電源開關(guān)，將儀器預(yù)熱；(2) 在傳感器梁端頭小鉤中，掛上砝碼盤，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕，使數(shù)字電壓表顯示

9、為零；(3) 在砝碼盤上分別如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等質(zhì)量的砝碼，記錄相應(yīng)這些砝碼力F作用下，數(shù)字電壓表的讀數(shù)值 U;(4) 用最小二乘法作直線擬合，求出傳感器靈敏度K。2. 環(huán)的測(cè)量與清潔(1) 用游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬圓環(huán)的外徑D1和內(nèi)徑D2；(2) 環(huán)的外表狀況與測(cè)量結(jié)果有很大的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將金屬環(huán)狀吊片用凈水洗凈，然后再將其底部 擦拭干凈。3. 液體的外表張力系數(shù)(1) 將金屬環(huán)狀吊片掛在傳感器的小鉤上，調(diào)節(jié)升降臺(tái)，將液體升至靠近環(huán)片的下沿，觀察環(huán)狀吊片下沿與待測(cè)液面是否平行，假設(shè)不平行，將金屬環(huán)狀片取下后，調(diào)節(jié)吊片上的細(xì)絲，使吊片與待測(cè)液面平行；(2) 調(diào)節(jié)容器下的升降臺(tái)，使其漸漸上升，將環(huán)片的下沿局部全部浸沒于待測(cè)液體，然后反向調(diào)節(jié)升 降臺(tái)，使液面逐漸下降，這時(shí)，金屬環(huán)片和液面間形成一環(huán)形液膜，繼續(xù)下降液面，測(cè)出環(huán)形液膜即將拉 斷前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值 U1和液膜拉斷后一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值 U 2 ；U 二 U1 -U2(3) 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代人公式(6)中，求出液體的外表張力系數(shù)，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比擬。(二) 選做局部測(cè)出其他待測(cè)液體，如酒精、乙醚、丙酮等在不同濃度下的外表張力系數(shù)(三) 實(shí)驗(yàn)考前須知1. 必須使吊環(huán)保持豎直，以免測(cè)量結(jié)果引入較大誤差；2. 調(diào)節(jié)升降臺(tái)拉起水柱時(shí)動(dòng)作必須輕緩，應(yīng)注意液膜必須充分地