J环状法测量液体表面张力

实验六 环状法测量液体表面张力

测量液体的表面张力有多种方法测量，例如最大气泡压法、毛细管法、拉脱法等，采用仪器有朱里氏秤、读数显微镜、测高仪、热敏传感器、扭力计等，然本实验采用拉脱法测定水的表面张力系数，方法为粘附于环上的液膜即将被撕裂之前，可用扭力计测量液膜的表面张力。表面张力可根据环的直径及扭力计测得撕破膜所需的扭力计算得到。掌握扭力计的调整和使用方法是本实验的目的之一。

【实验目的】

1．了解液体表面的性质

2．了解用扭力计测定表面张力系数的原理和方法 3．了解测定水的表面张力与温度之间的函数关系

【实验原理】

液体表面张力产生于表面分子之间的互相作用（不同于液体内部）。众所周知，分子的作用力是由引力与斥力两部分组成，二者均是短程力。引力作用距离约为分子直径的几倍，而斥力起作用的距离更短，仅在分子相接触时才起作用，处于液体表层以下的分子由于受到各方面来的引力与斥力，总体呈相互抵消的态势，因而对外表现出总合力为零，但靠近液体表面的分子，则受到的合力不为零。而越接近表层，则表现得越为明显，于是在液体表层形成一个分子引力场，使表面分子有进入液内部的收缩趋势，这就是表面张力，如图（1）所示，如果在液体表面设有一条分界线A 、B ，分液体表面为N 、M 两部分。这两部分表面层中的分子存在相互作用引力f 1和f 2，这两个大小相等，方向相反，垂直于分界线A 、B ，并沿液体表面分别作用在表面层相互接触部分。这一对力称为液体表面张力，它正比于表面分界的长度。即

l F ⋅=δ （1）

其中l 为AB 直线长度，F 为l 两侧的拉力， δ为表面张力系数，单位是m N

或cm

din

，

它的大小与液体的成分，纯度以及温度有关。

温度升高时δ值减少。 由于本实验采用环状法测量，则力的分析如下。

设有内半径为r 的圆环，浸没于盛水的容器之中，上部用线连接扭力计，采用虹吸原理慢慢吸出水，则圆环逐渐暴露出水面，如图（2）所示，沿环周长任意取一小段dl ，在忽略浮力的情况下，受力情况有如图（3）

θcos 2⋅+⋅=df g dm dF （2）

因为θ角很小，1cos ≈θ，则如图（2）

df g dm dF 2+⋅=

图（1）

A

dl df ⋅=δ，因此整个圆环受力

⎰⎰⎰⋅+=+⋅=l d mg df mg d F δ22 （3）

r dl π2=⎰ （4）

忽略圆环厚度，则 r mg F πδ4⋅+= 则：

r

mg

F πδ4-=

（5） 因为实验采用的环具底部很尖，被它排出的液体的重量可以忽略不计，因此测得表面张力不要修正。

【实验装置】

实验装置如图4所示。实验前用酒精仔细地擦去测量环上的油脂，再经蒸馏水漂洗，最后吹干。用丝线将环系在扭力测力计的左臂上。

将扭力测力计读数盘上的读数设定为0，并调节读数盘后面的旋钮，使测力计的力臂位于两个标记之间的白色区域内，这样便对环的自身重量进行了补偿。

将被测液体小心地倒入干净的、容量900ml 的烧杯内并将环完全浸没。在实验过程中液体用加热器加热并不断用磁力搅拌器搅拌。一

旦当温度差不多升至设定温度的，马上停止加热并使温度恒定（利用加热器上的残余热量）。当温度达到设定温度时，关掉搅拌器以使液体静止下来。然后，通过一根插在液体里的管子（虹

吸管）让液体慢慢的从置于磁力搅拌

器上的大烧杯流到另一个置于磁力

搅拌器旁边的小烧杯里（如图4，小烧杯的位置比大烧杯低）。为达到这一目的，只要打开连接在虹吸管上的单通旋塞阀，然后在橡皮管的液体流出的一端用过滤泵吸一下即可。在液体通过虹吸管流出时即开始测量，此时不断调整扭力测力计，使得测力计的力臂始终位于两个标记之间的白色区域内。当来自环上的液体膜被撕破时即停止测量，同时读取扭力测力计上的最后一组读数以及此时的液体温度值。在整个测量过程中，要确保仪器不受震动。

测量完某一温度下的实验数据后，将收集在小烧杯内的液体倒回到

图2

图 3

扭力计读数盘

自身重量补偿钮

虹

吸单通阀

加热器

图4

置于磁力搅拌器上的大烧杯里。然后，参照上述步骤，测量另一温度下的实验值。这样，从20℃开始一直到90℃为止，每隔10℃测一组实验数据。

数据，环直径，mm r 65.192=

环质量 0.838g 注意：（1）清洁容器及圆环。

（2）加热器温度很高，不必要的烫伤。 （3）减少震动。

【思考题】

（1）将圆环上提水膜即将破裂时，f mg F +=成立，若过早读数，对实验结果会有什么影响？

（2）圆环或玻璃容器不清洁，δ会有什么变化？