表面张力测量方法综述_郭瑞
表面张力的测量方法
表面张力的测量方法英才学院 1236305 张雍淋 6121810519液体表面张力测量在化学、医药、生物工程等领域具有重要意义， 根据液体表面张力的大小可以确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量；在合金液体体系中，借助于表面张力还可以评价金相组织及孕育效果等重要参数。
目前，测量液体表面张力系数有毛细上升法、最大气泡压力法、液滴法等。
1. 毛细上升法这个方法，研究的比较早，在理论和实际上都比较成熟。
如图 1所示，干净的毛细管浸入液体内部时，如果液体间的分子力小于液体与管壁间的附着力，则液体表面呈凹形。
此时表面张力产生的附加力为向上的拉力，并使毛细管内的液面上升, 直到液柱的重力与表面张 力相平衡。
图 1212cos ()g r r gh πσθπρρ=-1()2cos g ghrρρσθ-=其中：σ—液体的表面张力；r-毛细管的内径；θ-接触角；ρ1ρ-液体和气体的密度；h-液柱的高度；g-当地的重力加速度。
在和g实际应用中一般用透明的玻璃管，如果玻璃被液体完全润湿,可以近似的认为θ= 0。
毛细上升法是测定表面张力最准确的一种方法，国际上也一直用此方法测得的数据作为标准。
应用此方法时，要注意选择管径均匀, 透明干净的毛细管，并对毛细管直径进行仔细的标定；毛细管要经过仔细彻底的清洗，毛细管浸入液体时要与液面垂直。
2.最大气泡压力法如图 2 所示，向插入液体的毛细管轻轻的吹入惰性气体(如N2等)。
如果选用的毛细管半径很小，在管口形成的气泡基本上是球形的。
并且当气泡为半球时，球的半径最小等于毛细管半径 r ；在其前后曲率半径都比r大，如图2 所示。
当气泡为半球时，泡内的压力最大，管内外最大压差可由差压计测量得到。
图2由于毛细管口位于液面下一定位置，气泡内外最大压差P ∆应该等于差压计的读数减去毛细管端面液位静压值。
当气泡进一步长大,气泡内的压力逐渐减小直到气泡逸出。
利用最大压差和毛细管半径即可计算表面张力:2r P σ∆=此方法与接触角无关，装置简单，测定快速；经过适当的设计可以用于熔融金属和熔盐的表面张力测量。
表面张力测量方法综述_郭瑞
表面张力测量方法综述Summarization o f Surf ac e Tension Measurement郭 瑞(中原工学院能源与环境学院,河南郑州451191)摘 要:表面张力是流体的一个重要物性数据,本文介绍了几种代表性的表面张力测量方法,包括:毛细上升法、最大气泡压力法、吊环法、滴重法,表面波法。
针对各种测量方法的特点和应用范围进行了分析和讨论。
关键词:表面张力;毛细上升法;最大气泡压力法;吊环法;滴重法;表面波法1 毛细上升法1 1测量原理图1 毛细上升法示意图这个方法,研究的比较早,在理论和实际上都比较成熟。
如图1所示,干净的毛细管浸入液体内部时,如果液体间的分子力小于液体与管壁间的附着力,则液体表面呈凹形。
此时表面张力产生的附加力为向上的拉力,并使毛细管内的液面上升,直到液柱的重力与表面张力相平衡:2 r cos = r 2( 1- g )gh (1)化简公式(1)可得:=( 1- g )ghr2cos(2)式中: 液体的表面张力;r 毛细管的内径; 接触角; l 和 g 液体和气体的密度;h 液柱的高度;g 当地的重力加速度。
在实际应用中一般用透明的玻璃管,如果玻璃被液体完全润湿,可以近似的认为 =0;如果计算毛细管中弯月部分的重量,则公式(2)可以修正为:=12( 1- g )gr (h +r /3-0 1288r 2/h +0 1312r 3/h 2)(3)如果使用的毛细管直径小于1mm,则公式(3)可以进一步简化为:=12( 1- 2)gr (h +r /3)(4)在实验测量中,大多采用公式(4)作为计算表面张力的公式。
值得注意的是,当液体分子间的凝聚力大于液体分子和管壁间的附着力时,液体会沿毛细管下降。
管中的液面将会变成凸面,但公式(4)依然适用。
1 2 特点及应用毛细上升法是测定表面张力最准确的一种方法,国际上也一直用此方法测得的数据作为标准。
应用此方法时,要注意选择管径均匀,透明干净的毛细管,并对毛细管直径进行仔细的标定;毛细管要经过仔细彻底的清洗,毛细管浸入液体时要与液面垂直。
表面张力仪的测试原理
表面张力仪的测试原理概述表面张力仪（Surface Tension Meter）是一种用于测量液体表面张力的仪器，它可以通过不同的方法，如静态与动态方法，来测量液体的表面张力值。
表面张力是指液体表面上单位长度的能量，通常用mN/m（米牛每米）或dyn/cm（达因每厘米）来表示。
表面张力仪可以用于对化学、物理和生物学领域中液体表面性质的研究。
静态方法静态方法是最常用的表面张力测量方法之一。
它可以用来测量水、有机液体或十六烷等不同液体的表面张力。
下面是静态方法的测试流程：1.将表面张力仪固定在一个框架上，框架上有一块水平的玻璃板。
2.用注射器将待测液体缓缓注入框架内，直到液体与玻璃板成一定的角度，此时液体表面高于玻璃板的高度。
3.开始测试，根据压电传感器读数可以计算出液面与玻璃板间的切线张力。
静态方法测量得到的值是相对准确的，但必须在一定范围内保证测试环境的相对湿度和温度。
同时，如果使用美洽力法进行测试，最后会得到一个浓缩系数，可以帮助计算出液体在界面上的活性系数。
动态方法动态方法也是表面张力测量中常用的方法之一，它可以测量多种表面张力的液体，如水、甘油、二甲苯等。
下面是动态方法的测试流程：1.使用注射器在表面张力仪的玻璃框架内注入待测液体。
2.启动仪器，在预设的频率下开始进行振荡。
3.通过测量振荡的幅值以及周期时间，利用拉普拉斯公式来计算出液体表面张力。
动态方法相对于静态方法需要更精准的仪器，同时还要对液体的粘度以及挥发性进行控制。
由于动态法的测量对环境干扰比较小，因此动态方法通常比静态方法更精准。
总结表面张力仪的测试原理在不同方法下具有不同的特点。
静态方法可以得到比较准确的结果，但其测试中需要保证环境条件相对稳定；动态方法的误差较小，但需要更精确的仪器，并且还要对液体的粘度和挥发性进行控制。
表面张力的测量可以用于支持在各种应用领域中所需的物理化学属性。
-表面张力测定方法
2)当同时考察温度、 压力和气氛对表面张力的影 响时,悬滴法是最有效的方法之一。
式中 C为表面张力, v Q是液相与气相的密度差, g是重力加速度, h为液面上升高度, r为毛细管半径, H是固- 液接触角。只要测得液柱上升(或下降)高度和固- 液接触 角, 就可以确定液体的表面张力。
应用此法测定液体表面张力, 要求固- 液面接触角 H最好为 零。当精确测量时,需要对毛细管内液面上升高度 h进行校正。 当液面位置很 难测准时,可通过测量两根毛细管的高度差计算 表面张力,其计算公式为:
三、总结
1)在实际测量表面张力时, 可以根据要求的实 验精度、温度压力和设备的实现难易程度 来选择。当要求精度比较高时, 可以采用毛细管上升法、 最
大气泡压力法、 Wihel my吊片法, 否则可以选择 DuNouy吊环法、 悬滴法或旋滴法。当温度和压力比较高的时候,可以采用毛细管 上升法、 滴体积法、 旋滴法、悬滴法、最大气泡压力法和震荡 射流法进行测定。
h1、 h2分别为两毛细管液面上升高度, r1、r2分别为两毛细管半径。
2.最大气泡压力法
测定时将一根毛细管插入待测液体内部, 从管中缓慢地通入惰性 气体对其内的液体施以压力, 使它能在管端形成气泡逸出。当所用 的毛细管管径较小时,可以假定所产生的气泡都是球面的一部分,但 是气泡在生成及发展过程中,气泡的曲率半径将随惰性气体的压力 变化而改变,当气泡的形状恰为半球形时,气泡的曲率半径为最小,正 好等于毛细管半径。如果此时继续通入惰性气体, 气泡便会猛然胀 大,并且迅速地脱离管端逸出或突然破裂。如果在毛细管上连一个 U 型压力计, U型压力计所用的液体密度为 Q , 两液柱的高度差为v l , 那么气泡最大压力v Pmax就能通过实验测定。此时
表面张力的几种测定方法
表面张力的几种测定方法测定表面张力有以下几种方法。
(1)表面张力法表面张力测定法适合于离子表面活性剂和非离子表面活性剂临界胶束浓度的测定，无机离子的存在也不影响测定结果。
在表面活性剂浓度较低时，随着浓度的增加，溶液的表面张力急剧下降，当到达临界胶束浓度时，表面张力的下降则很缓慢或停止。
以表面张力对表面活性剂浓度的对数作图，曲线转折点相对应的浓度即为CMC。
如果在表面活性剂中或溶液中含有少量长链醇、高级胺、脂肪酸等高表面活性的极性有机物时，溶液的表面张力-浓度对数曲线上的转折可能变得不明显，但出现一个最低值(图2—15)。
这也是用以鉴别表面活性剂纯度的方法之一。
(2)电导法本法仅适合于表面活性较强的离子表面活性剂CMC的测定，以表面活性剂溶液电导率或摩尔电导率对浓度或浓度的平方根作图，曲线的转折点即CMC。
溶液中若含有无机离子时，方法的灵敏度大大下降。
(3)光散射法光线通过表面活性剂溶液时，如果溶液中有胶束粒子存在，则一部分光线将被胶束粒子所散射，因此测定散射光强度即浊度可反映溶液中表面活性剂胶束形成。
以溶液浊度对表面活性剂浓度作图，在到达CMC时，浊度将急剧上升，因此曲线转折点即为CMC。
利用光散射法还可测定胶束大小(水合直径)，推测其缔合数等。
但测定时应注意环境的洁净，避免灰尘的污染。
(4)染料法一些有机染料在被胶团增溶时。
其吸收光谱与未增溶时发生明显改变，例如频那氰醇溶液为紫红色，被表面活性剂增溶后成为蓝色。
所以只要在大于CMC的表面活性剂溶液中加入少量染料，然后定量加水稀释至颜色改变即可判定CMC值。
采用滴定终点观察法或分光光度法均可完成测定。
对于阴离子表面活性剂，常用的染料有频那氰醇、碱性蕊香红G；阳离子表面活性剂可用曙红或荧光黄；非离子表面活性剂可用频那氰醇、四碘荧光素、碘、苯并紫红4B等。
采用染料法测定CMC可因染料的加入影响测定的精确性，尤其对CMC 较小的表面活性剂的影响更大，另外，当表面活性剂中含有无机盐及醇时，测定结果也不甚准确。
表面张力测定实验的改进
表面张力测定实验的改进作者：辛景凡孙佩箫熊宇玲祁慧敏李圆圆来源：《赤峰学院学报·自然科学版》2021年第04期摘要：對于最大泡压法测定表面张力的实验，我们通过调整冒泡速度对其进行实验探索。
实验测试了冒泡速度分别为3，5，7，9，11s/个时，乙醇与异丙醇两种溶液在浓度为10%，20%，30%，40%，50%时表面张力的大小。
结果显示，不同浓度的乙醇与异丙醇溶液，当冒泡速度为11s/个时，这两种溶液的表面张力值最接近理论值。
因此在测定表面张力的实验时冒泡速度控制在10s/个以上，所得数据更精确。
通过初步探索为表面张力实验的教学改进提供了依据。
关键词：表面张力;冒泡速度;最大泡压法中图分类号：O647.1 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2021）04-0021-041 前言表面张力是液体普遍存在的一种现象，是表面层分子和内部层分子环境不同造成的[1，2]。
液面之所以会缩小是因为外层分子拉着分子向内运动，并使表面层表现出独特的性质。
一个分子从内部被拉到外层上，需要对抗这种反作用力而做功。
在其他因素都不变的状态下，用表面增加dA与比例常数（？滓）相乘称为表面功，表示为表面功的值，等同于其他因素条件不变的情况下（温度，压力等）每增加1面积时对整个体系做的功，换句话的意思是由能的增加值与增加每单位表面积时系统做的功。
外界对整个体系做的功变成了多余的自由能。
表面自由能用σ表示，单位是J/m2。
在表面上每单位长度上的力可以称为σ，这时σ叫作表面张力[3，4]。
影响表面张力的因素主要有以下几种：（1）分子间的相互作用力：纯液体或固体的表面张力取决于分子间的化学键能，一般的金属键>离子键>极性共价键>非极性化学键。
（2）温度对表面张力的影响，随着温度的升高表面张力下降。
当达到临界温度Tc时，表面张力趋于零。
（3）压力的影响，当压力增加时，气相密度增加，表面分子受力不均匀的现象略有好转，另一因素，非液非固相的物质，压力如果增加是能够促进表面吸附的，如果气相的物质溶解程度增加，会使表面张力下降。
物理化学中表面张力的测量方法与应用
物理化学中表面张力的测量方法与应用表面张力，简单来说就是某种物质的表面呈现出的微观力学特性，它是交界处分子之间相互作用力的产物。
在物理化学领域，表面张力是一个十分重要的研究对象，因为它与很多物质的性质密切相关。
例如，液体表面张力的大小可以影响它的稳定性、光泽度、流动性以及在涂料、油漆、化妆品等各种工业领域的应用。
本文将介绍物理化学中表面张力的测量方法和应用。
一、环法测量法环法测量法是分析液体表面张力的一种古老但常用的测量方式。
其基本思想是根据液体静止在异形环表面的原理来测量液体的表面张力。
环法测量法需要一定的实验技巧和精度，通常需要进行多次测量求平均值，然后计算液体的表面张力。
二、降相压法测量法降相压法是现代物理化学中应用比较广泛的测量表面张力的方法之一。
该方法通过实验中降低液体与大气的接触面积，从而使液体表面发生凸起现象，通过对凸起高度测量来确定液体的表面张力。
这种方法较为准确，且操作相对简单，可以应用于多种液体的表面张力测量。
三、应用由于表面张力能够反映液体中分子间相互作用的强弱，常常被应用于多种领域的研究。
例如，测量液体表面张力可以用于估算大气湿度、优化化工加工参数以及开发新型液体表面技术等领域。
在医学和生物学领域，测量表面张力也具有很大的作用。
例如，在研究细胞膜时，表面张力的改变往往能够影响细胞膜的形状、钙离子的通道以及细胞内多种代谢过程。
此外，许多家用品和日化用品中也运用了表面张力的原理。
例如，洗衣液、洗碗液等清洁用品中含有高表面活性剂含量的成分，以减小水面张力来更好地清洁杂质和污渍。
此外，在食品和饮料生产中，通过调整添加剂的种类和浓度等可以控制产品的表面张力以达到理想的性质。
总之，表面张力的测量方法和应用十分的广泛。
这种物理现象的研究和应用已经深入到了物理化学领域以及生活的各个方面，其研究仍在不断深入和扩展。
自动表面张力仪的测试方法与特征阐述
自动表面张力仪的测试方法与特征阐述自动表面张力仪是一种高级实验设备，用于测量液体表面张力。
该仪器广泛用于化学、材料学、物理学、制药学等领域中相关实验。
本文将深入介绍自动表面张力仪的测试方法和特征。
测试方法1. 预处理在进行测试前，需要对自动表面张力仪进行预处理。
首先需要对仪器进行校准，确保仪器的准确性和可靠性。
此外，在测试前需要将仪器表面清洁干净，避免测试中出现干扰因素。
2. 测试样品测试样品必须是纯净的，并且样品的温度、浓度等参数需要提前确定。
在进行测试前，需要将样品倒入特定的样品盘中，并确保样品平稳。
3. 开始测试开启自动表面张力仪后，需要设置测试条件。
测试条件包括：温度、浓度、采样速度等。
测试时，自动表面张力仪会自动测量液体表面张力，并给出测试结果。
测试完成后，需要将测试结果记录下来。
4. 数据处理测试结果需要进行科学处理，将测试结果与测试条件进行比较，得出结论。
如果测试结果与预期结果相差较大，则需要重新测试或调整测试条件。
特征阐述1. 测量精度高自动表面张力仪采用现代科技，测量精度高。
采样精度可以达到0.1mN/m，可测量的液体种类也非常广泛。
因此，自动表面张力仪被广泛应用于各种领域中的科学实验。
2. 测量过程自动化自动表面张力仪可以自动采样、测试、记录数据、数据处理等功能。
因此，该仪器在测试过程中可以大幅度提高工作效率，减少人力成本。
3. 仪器体积小自动表面张力仪体积小巧，易于携带，不受地点限制，可以在实验室、工厂等多个场所中使用。
因此，该仪器在实验室、工厂等场所中得到了广泛应用。
总之，自动表面张力仪是一种精准、高效的实验设备，其测试方法和特征具有一定的实用价值。
在进行科学实验时，可以选择合适的自动表面张力仪进行测试，提高测试精度和效率。
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表面张力测量方法综述Summarization of Surface Tension Measurement郭 瑞(中原工学院能源与环境学院,河南郑州451191)摘 要:表面张力是流体的一个重要物性数据,本文介绍了几种代表性的表面张力测量方法,包括:毛细上升法、最大气泡压力法、吊环法、滴重法,表面波法。
针对各种测量方法的特点和应用范围进行了分析和讨论。
关键词:表面张力;毛细上升法;最大气泡压力法;吊环法;滴重法;表面波法1 毛细上升法1.1 测量原理图1 毛细上升法示意图这个方法,研究的比较早,在理论和实际上都比较成熟。
如图1所示,干净的毛细管浸入液体内部时,如果液体间的分子力小于液体与管壁间的附着力,则液体表面呈凹形。
此时表面张力产生的附加力为向上的拉力,并使毛细管内的液面上升,直到液柱的重力与表面张力相平衡:2πr σcos θ=πr 2(ρ1-ρg )gh (1)化简公式(1)可得:σ=(ρ1-ρg )ghr 2cos θ(2)式中:σ—液体的表面张力;r —毛细管的内径;θ—接触角;ρl 和ρg —液体和气体的密度;h —液柱的高度;g —当地的重力加速度。
在实际应用中一般用透明的玻璃管,如果玻璃被液体完全润湿,可以近似的认为θ=0;如果计算毛细管中弯月部分的重量,则公式(2)可以修正为:σ=12(ρ1-ρg )gr (h +r /3-0.1288r 2/h +0.1312r 3/h 2)(3)如果使用的毛细管直径小于1mm ,则公式(3)可以进一步简化为:σ=12(ρ1-ρ2)gr (h +r /3)(4)在实验测量中,大多采用公式(4)作为计算表面张力的公式。
值得注意的是,当液体分子间的凝聚力大于液体分子和管壁间的附着力时,液体会沿毛细管下降。
管中的液面将会变成凸面,但公式(4)依然适用。
1.2 特点及应用毛细上升法是测定表面张力最准确的一种方法,国际上也一直用此方法测得的数据作为标准。
应用此方法时,要注意选择管径均匀,透明干净的毛细管,并对毛细管直径进行仔细的标定;毛细管要经过仔细彻底的清洗,毛细管浸入液体时要与液面垂直。
如果使用一根毛细管,管径在(0.7～1.0)m m 之间为宜;但是使用一根毛细管时,基准液面高度难以确定,实验中多采用双根毛细管的方法。
于是,公式(4)变为:σ=(ρL -ρg )g2(1/r 1-1/r 2)(Δh +r 1/3-r 2/3)(5)式中Δh 是两根毛细管内液面高度差,下标1、2分别代表两根毛细管。
由于计算中假定θ=0,所以此方法只能用于测定能够完全润湿玻璃的液体,不能用于碱性液体的测量。
可以利用高压容器实现利用此方法对高压液体的表面张力的测量。
2 最大气泡压力法2.1 测量原理图2 最大气泡压力法示意图如图2所示,向插入液体的毛细管轻轻的吹入惰性气体(如N 2等)。
如果选用的毛细管半径很小,在管口形成的气泡基本上是球形的。
并且当气泡为半球时,球62 《计量与测试技术》2009年第36卷第4期的半径最小等于毛细管半径r ;在其前后曲率半径都比r 大,如图2所示。
当气泡为半球时,泡内的压力最大,管内外最大压差可由差压计测量得到。
由于毛细管口位于液面下一定位置,气泡内外最大压差ΔP 应该等于差压计的读数减去毛细管端面液位静压值。
当气泡进一步长大,气泡内的压力逐渐减小直到气泡逸出。
利用最大压差和毛细管半径即可计算表面张力:σ=12r ΔP(6)2.2 特点及应用此方法与接触角无关,装置简单,测定快速;经过适当的设计可以用于熔融金属和熔盐的表面张力测量。
气泡得生成速度以每秒钟一个为宜,如果选用管径较大,气泡不能近似为球形,则必须进行修正,可以用标准液体对仪器常数进行标定。
3 吊环法3.1 测量原理图3 吊环法示意图如图3所示,将一个用直径2r 的铂丝制成的内径2R ′的圆环平置于液面,当圆环被向上缓慢提起时,在圆环的内外表面会形成与环表面相垂直的液膜;内外液膜表面张力的合力竖直向下与拉力平衡。
当液膜被切断的瞬间,设此时液体的表面张力为σ,总拉力与圆环重力的差为f ,则有:f =2πR ′σ+2πσ(R ′+r )(7)如果令R =R ′+r ,则上式可以改写为:σ=f4πR(8)对于拉力f 的测量,传统方法多用焦利秤实现,但一般稳定性不好、准确度偏低;结合非电量电测技术的发展可以利用电阻应变片来实现表面张力的非电量电测,提高实验系统的稳定性和准确度,并实现自动化测量。
很多商品化的表面张力测量仪都是采用的这种方法,例如英国Cam tel 公司的CCA -100型表面张力测量仪就是利用吊环法并结合计算机实现自动化测量。
3.2 特点及应用由于液膜有一定的厚度,同时由于上拉环也将带起若干液体,并且环的半径和被拉起的液膜的半径稍有不同,所以吊环法的精度稍低,但是应用很方便,不仅可以测量气-液界面的表面张力,也可以测量液-液界面张力。
外力f 可以用螺旋秤或者传感器测量,圆环要相当平整,通常用铂或含10%铱的铂制成。
测定时需要将圆环用铬酸洗液和蒸馏水彻底清洗干净并烘干。
应用中常常对公式(8)进行修正,修正因子可以从相关专著中查得。
4 滴重法4.1 测量原理图4 滴重法示意图如图4所示,对于液体从很细的管口中缓慢滴出的过程,液滴在表面张力的支撑下缓慢长大,当重量比表面张力稍大时,液滴就将落下来。
设管口的半径为r ,落下的液滴质量为m ,其表面张力为σ,当地重力加速度为g ,则可以得到:m g =2πr σ(9)但实际过程并不是这么简单,当液滴落下时,首先式中部变细,大部分落下来,剩下的一部分变成小液滴,接着落下来。
即使采用毛细管,应用公式(9)也会产生很大的误差,所以,必须对公式(9)进行修正。
如果把包括2π在内的修正系数设为F ,则可以得出:σ=mg rF (10)F 与液滴的大小和管口的半径有关,Harkins 等人得到了F 与V /r 3的函数关系式并制成了表格,可以根据具体条件从表中查得相应的修正系数。
4.2 特点及应用此方法不仅可以测量气-液界面张力,也可以测量液-液界面张力。
应用时常常用标准液体进行标定。
在实验过程中可以利用一个测微计使液滴缓慢生长,然后测定落下液滴的质量;并且此方法只能应用于液滴很小的情况。
5 表面波法5.1 测量原理存在于液体表面的波动称为表面波。
表面波非常常见,其波长从毫米(毛细波)到千米(潮涌波),振幅从零点几毫米到几十米。
表面波的性质受到表面张力和重力的影响。
当表面波的波长比较大(λ>10mm )时,重力起主要作用;当表面波的波长比较小时(λ<10mm ),表面张力起主要作用。
由流体力学的知识可以知道:郭瑞:表面张力测量方法综述63 ω2=gk +σρk 3(11)式中,ρ是液体密度;ω=2πf 是表面波的圆频率,其中f 是表面波的频率;k =2π/λ,其中λ是表面波的波长。
对于波长比较小的表面波(毛细波),重力的影响可以忽略。
对于公式(11),忽略gk 项并把ω和k 的表达式代入,可以得到:σ=f 2λ3ρ2π(12)由公式(12)可知,对于密度已知的液体,只要测得表面波的频率和波长就可以计算出表面张力的值。
所以这里有两种测量方法,一种是固定毛细波的频率然后通过测量毛细波的波长来获得表面张力;另一种方法是固定毛细波的波长然后通过测量毛细波的频率来获得表面张力。
图5 利用激励毛细波测量表面张力示意图固定毛细波的频率然后通过测量毛细波的波长来获得表面张力的方法如图5所示。
其中激励探针接触液体表面,用于产生一定频率的表面波。
利用一个和激励探针频率相同的光源照射液体表面,反射光经一个凹镜反射以后入射到一个读数望远镜上,从读数望远镜里可以看到明暗相间的条纹。
测量N 条明条纹(或暗条纹)之间的距离d ,就可以得到表面波的波长:λ=d /N ,由于表面波的频率f 已知,所以可以进一步计算得到表面张力的数值。
为了提高测量自动化可以利用CCD 作为接收装置,联合计算机实现快速自动化测量。
固定毛细波的波长然后通过测量毛细波的频率来获得表面张力的方法如图5所示。
液体表面存在热激发的毛细波,入射到液体表面的激光会产生布里渊散射,散射光的频率会发生改变,其改变量等于毛细波的频率。
让散射光与反射光混合,利用差频探测方法即可获得毛细波的频率。
通过入射光的角度可以计算毛细波的波长,由此即可获得液体的表面张力。
5.2 特点及应用这两种种方法测量时间短、自动化程度高,可以实现在线测量和用于实时监控的测量。
其表面张力的测量精度主要取决于波长和频率的测量精度。
对于第一种方法,如果配合CCD 使用来测量波长,则表面张力测量精度可以达到0.04mN /m 。
但是,使用时注意要对激励探针进行仔细彻底的清洗,防止污染待测试样。
对于第二种方法,如果使用光电倍增管和频谱分析仪来确定频率,则表面张力测量精度可以达到0.1mN /m 。
另外如果对试样容器进行适当的设计,还可以利用这种方法实现高温高压等极限条件下的表面张力测量。
图6 利用热毛细波测量表面张力示意图6 结论本文介绍了一些具有代表性的表面张力测量方法,并对其特点和应用进行了分析。
从文中可以看到,随着电子以及激光技术的发展越来越多的电子和激光技术被引入了表面张力的测试中,这不但提高了测试的精度和自动化程度,同时也大大拓宽了测量范围。
参考文献[1]Richards ,T .W .Carver ,E .K .A critical study of the capillary rise method of determining s u rface tens ion ,w ith data for w ater ,benzene ,toluene ,chloroform ,carbon tetrachloride ,ether and dimethyl anil ine [J ].J .Am .Chem .Soc .1921,43:827～847.[2]李传文,洪洋,李莉等.用毛细管测量表面张力系数中管内径d 引起的误差[J ].大学物理,1998,17(1):27～28.[3]李大勇,康九洲,邱元宏,液态金属表面张力快速电测方法[J ],哈尔滨科学技术大学学报,1995,19(1):41～44.[4]谷里鹏,瞿光楣,气泡最大压力法测定表面张力的装置设计与测量技巧[J ],江汉大学学报,1997,14(6):86～89.[5]岳应利,陈荐俊,焦利秤测定液体表面张力系数实验中测量公式的修定,大学物理实验,1995,8(4):18～21.[6]李佳麟,曹超,陆申龙,液体表面张力系数的非电量电测,大学物理实验,2001,14(3):3～6.[7]赵国玺,表面活性剂物理化学[M ],北京:北京大学出版社,1984:1～45.[8]苏哈鲁柯夫等,波动理论,王栅编译,上海:复旦大学出版社,1995:25～153.[9]林敏,黄建军,光栅衍射表面张力系数测试系统[J ],计量与测试技术,2000,4(22):9～11.[10]Hard ,S ,.Hamnerius ,Y .,Nilsson ,O .LASER HET ERODYNE AP -PARATUS FOR M EASUREM ENTS OF LIQUID SURFACE PROPE R -TIES EM DASH THEORY AND EXPERIM ENTS [J ].Journal of Appl ied Phys ics ,1976,47(6):2433～2442.[11]T .Nis hio ,Y .Nagasaka ,Simultaneous M easurement of S urface Ten -sion and Kinematic Viscosity Us ing T hermal Fluctuations [J ].International Journal of Thermophysics ,1995,16(5),1087-1097.作者简介:郭瑞,女,本科生。