表面張力的測量方法

英才學院 1236305 張雍淋 6121810519

液體表面張力測量在化學、醫藥、生物工程等領域具有重要意義，根據液體表面張力的大小可以確定表面活性並計算表面活性劑在溶液表面的吸附量；在合金液體體系中，借助於表面張力還可以評價金相組織及孕育效果等重要引數。目前，測量液體表面張力係數有毛細上公升法、最大氣泡壓力法、液滴法等。

1. 毛細上公升法

這個方法，研究的比較早，在理論和實際上都比較成熟。如圖 1所示，乾淨的毛細管浸入液體內部時，如果液體間的分子力小於液體與管壁間的附著力，則液體表面呈凹形。此時表面張力產生的附加力為向上的拉力，並使毛細管內的液面上公升, 直到液柱的重力與表面張力相平衡。

圖 1_ _ 其中：—液體的表面張力；r-毛細管的內徑； -接觸角；和-液體和氣體的密度；h-液柱的高度；g-當地的重力加速度。在實際應用中一般用透明的玻璃管，如果玻璃被液體完全潤濕,可以近似的認為= 0。

毛細上公升法是測定表面張力最準確的一種方法，國際上也一直用此方法測得的資料作為標準。應用此方法時，要注意選擇管徑均勻, 透明乾淨的毛細管，並對毛細管直徑進行仔細的標定；毛細管要經過仔細徹底的清洗，毛細管浸入液體時要與液面垂直。

2. 最大氣泡壓力法

如圖 2 所示，向插入液體的毛細管輕輕的吹入惰性氣體(如等)。如果選用的毛細管半徑很小，在管口形成的氣泡基本上是球形的。並且當氣泡為半球時，球的半徑最小等於毛細管半徑 r ；在其前後曲率半徑都比r大，如圖2 所示。

當氣泡為半球時，泡內的壓力最大，管內外最大壓差可由差壓計測量得到。

圖 2由於毛細管口位於液面下一定位置，氣泡內外最大壓差應該等於差壓計的讀數減去毛細管端麵液位靜壓值。當氣泡進一步長大,氣泡內的壓力逐漸減小直到氣泡逸出。利用最大壓差和毛細管半徑即可計算表面張力:

此方法與接觸角無關，裝置簡單，測定快速；經過適當的設計可以用於熔融金屬和熔鹽的表面張力測量。氣泡的生成速度以每秒鐘乙個為宜，如果選用管徑較大，氣泡不能近似為球形，則必須進行修正，可以用標準液體對儀器常數進行標定。

3. 滴重法

如圖 3 所示，對於液體從很細的管口中緩慢滴出的過程，液滴在表面張力的支撐下緩慢長大，當重量比表面張力稍大時，液滴就將落下來。

圖 3設管口的半徑為 r , 落下的液滴質量為 m ，其表面張力為，當地重力加速度為g ,加上對於模型的修正量，可得：

其中f為與r有關的乙個修正量，可以通過查表得到。

此方法不僅可以測量氣-液介面張力，也可以測量液-液介面張力。應用時常常用標準液體進行標定。在實驗過程中可以利用乙個測微計使液滴緩慢生長，然後測定落下液滴的質量；並且此方法只能應用於液滴很小的情況。

4. 表面波法

存在於液體表面的波動稱為表面波。表面波非常常見，其波長從公釐(毛細波)到千公尺(潮湧波)，振幅從零點幾公釐到幾十公尺。表面波的性質受到表面張力和重力的影響。

當表面波的波長比較大(> 1 0mm) 時，重力起主要作用；當表面波的波長比較小時(< 10mm )，表面張力起主要作用。由流體力學的知識可以知道:

其中，是表面波的頻率，是表面波的波長，是液體密度。

這種方法測量時間短、自動化程度高，可以實現**測量和用於實時監控的測量。其表面張力的測量精度主要取決於波長和頻率的測量精度。

本文介紹了一些具有代表性的表面張力測量方法，並對其特點和應用進行了分析。從文中可以看到，隨著電子以及雷射技術的發展越來越多的電子和雷射技術被引入了表面張力的測試中，這不但提高了測試的精度和自動化程度, 同時也大大拓寬了測量範圍。

參考文獻

[1]郭瑞. 表面張力測量方法綜述[j]. 計量與測試技術,2009,04:62-64.

[2]李豔紅,王昇寶,常麗萍. 表(界)面張力測定方法的研究進展[j]. 日用化學工業,2007,02:102-106.

[3]莊其仁,龔冬梅,陶海敏,范金友. 液體表面張力雷射快速測量法[j]. 光學精密工程,2007,05:662-667.

[4]章新友. 液體表面張力係數測量的誤差分析與方法改進[j]. 大學物理實驗,2014,01:83-87.

[5]韓眾. 插板法測表面張力公式的新證明[j]. 忻州師範學院學報,2014,02:8-13.