凡作用於液體表面，使液體表面積縮小的力，稱為液體表面張力。它產生的原因是 液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內部稀疏，分子間的距離比液體內部大一些，分子間的相互作用表現為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如。
基本介紹
- 中文名：液體表面張力
- 測定方法1：毛細管上升法
- 測定方法2：Wilhelmy 盤法
- 測定方法3：懸滴法
影響因素,係數測定,試驗舉例,失重張力,
影響因素
無機液體的表面張力比有機液體的表面張力大的多；
水的表面張力0.0728N/m(20℃)；
有機液體的表面張力都小於水；
含氮、氧等元素的有機液體的表面張力較大；
含F、Si的液體表面張力最小；
分子量大表面張力大；
水溶液：如果含有無機鹽，表面張力比水大；含有有機物， 表面張力比水小。
外因：溫度升高表面張力減小；
壓力和表面張力沒有關係。
係數測定
液體表面張力的測定方法分靜力學法和動力學法。靜力學法有毛細管上升法、du Noüy 環法、Wilhelmy 盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法;動力學法有震盪射流法、毛細管波法。其中毛細管上升法和最大氣泡壓力法不能用來測液- 液界面張力。Wilhelmy 盤法, 最大氣泡壓力法, 震盪射流法, 毛細管波法可以用來測定動態表面張力。由於動力學法本身較複雜, 測試精度不高, 而先前的數據採集與處理手段都不夠先進, 致使此類測定方法成功套用的實例很少。因此, 迄今為止, 實際生產中多採用靜力學測定方法。
毛細管上升法
測定原理：
將一支毛細管插入液體中, 液體將沿毛細管上升, 升到一定高度後, 毛細管內外液體將達到平衡狀態, 液體就不再上升了。此時, 液面對液體所施加的向上的拉力與液體向下的力相等。則表面張力 ：γ=ρghr*r/(2cosθ)
Wilhelmy 盤法
用鉑片、雲母片或顯微鏡蓋玻片掛在扭力天平或鏈式天平上, 測定當片的底邊平行面剛好接觸液面時的壓力, 由此得表面張力, 公式為:
式中,W 總為薄片與液面拉脫時的最大拉力,W片為薄片的重力, l 為薄片的寬度, 薄片與液體的接觸的周長近似為2l, φ為薄片與液體的接觸角
懸滴法
懸滴法是根據在水平面上自然形成的液滴形狀計算表面張力。在一定平面上, 液滴形狀與液體表面張力和密度有直接關係。由Laplace公式, 描述在任意的一點P 曲面內外壓差為：
式中R1, R2 為液滴的主曲率半徑; z 為以液滴頂點O 為原點, 液滴表面上P 的垂直坐標; P0 為頂點O 處的靜壓力。
定義：S= ds/de
式中de 為懸滴的最大直徑, ds 為離頂點距離為de 處懸滴截面的直徑
式中b 為液滴頂點O 處的曲率半徑。此式最早是由Andreas, Hauser 和Tucker[15]提出, 若相對應與懸滴的S 值得到的1/H 為已知, 即可求出表( 界) 面張力。套用Bashforth-Adams 法, 即可算出作為S 的函式的1/H 值。因為可採用定期攝影或測量ds/de 數值隨時間的變化, 懸滴法可方便地用於測定表( 界) 面張力。
滴體積法
當一滴液體從毛細管滴頭滴下時, 液滴的重力與液滴的表面張力以及滴頭的大小有關。Tate首先提出了表示液滴重力(mg) 的簡單關係式:mg=2πrγ,實驗結果表明, 實際體積比按式( 7) 式計算的體積小得多。因此Harkins 就引入了校正因子, 則更精確的表面張力可以表示為:其中m 為液滴的質量, V 為液滴體積, f 為校正因子, 可查表得到[16, 23]。只要測出數滴液體的體積, 利用( 13) 式就可計算出該液體的表面張力。
最大氣泡壓力法
若在密度為ρ的液體中, 插入一個半徑為r的毛細管, 深度為t, 經毛細管吹入一極小的氣泡, 其半徑恰好與毛細管半徑相等。此刻, 氣泡內壓力最大。根據拉普拉斯公式, 氣泡最大壓力為：
差分最大氣泡壓力法
差分最大氣泡壓力法最早是由Sugden 於1921 年提出來的並提出計算公式, 後經過Cuny和Wolf 等的不斷改進, 原理是:兩個同質異徑的毛細管插入被測液體中, 氣
泡從毛細管中通過後到達液體中, 測量兩個毛細管中氣泡的最大壓力p1 和p2, 表面張力是壓差的函式, 計算公式為：
試驗舉例
液體的表面張力是表征液體性質的一個重要參數．測量液體的表面張力係數有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力係數常用的方法之一．該方法的特點是，用秤量儀器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚．用拉脫法測量液體表面張力，對測量力的儀器要求較高，由於用拉脫法測量液體表面的張力約在1×10-3～1×10-2 N之間，因此需要有一種量程範圍較小，靈敏度高，且穩定性好的測量力的儀器．新發展的矽壓阻式力敏感測器張力測定儀正好能滿足測量液體表面張力的需要，它比傳統的焦利秤、扭秤等靈敏度高，穩定性好，且可數位訊號顯示，利於計算機實時測量，為了能對各類液體的表面張力係數的不同有深刻的理解，在對水進行測量以後，再對不同濃度的酒精溶液進行測量，這樣可以明顯觀察到表面張力係數隨液體濃度的變化而變化的現象，從而對這個概念加深理解。
[實驗目的]
1．用拉脫法測量室溫下液體的表面張力係數
2．學習力敏感測器的定標方法
[實驗原理]
測量一個已知周長的金屬片從待測液體表面脫離時需要的力，求得該液體表面張力係數的實驗方法稱為拉脫法．若金屬片為環狀吊片時，考慮一級近似，可以認為脫離力為表面張力係數乘上脫離表面的周長，即
F=α·π(D1十D2 ) （1）
式中，F為脫離力，D1，D2分別為圓環的外徑和內徑，α為液體的表面張力係數．
矽壓阻式力敏感測器由彈性梁和貼在樑上的感測器晶片組成，其中晶片由四個矽擴散電阻集成一個非平衡電橋，當外界壓力作用於金屬梁時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電壓大小與所加外力成正此，即
△U=KF （2）
式中，F為外力的大小，K為矽壓阻式力敏感測器的靈敏度，△U為感測器輸出電壓的大小。
[實驗裝置]
圖14-1為實驗裝置圖,其中,液體表面張力測定儀包括矽擴散電阻非平衡電橋的電源和測量電橋失去平衡時輸出電壓大小的數字電壓表．其他裝置包括鐵架台,微調升降台,裝有力敏感測器的固定桿,盛液體的玻璃皿和圓環形吊片,實驗證明,當環的直徑在3cm附近而液體和金屬環接觸的接觸角近似為零時.運用公式(1)測量各種液體的表面張力係數的結果較為正確。
圖14-1 液體表面張力測定裝置
[實驗內容]
一、必做部分
1、 力敏感測器的定標
每個力敏感測器的靈敏度都有所不同，在實驗前，應先將其定標，步驟如下：打開儀器地電源開關，將儀器預熱。（2）在感測器梁端頭小鉤中，掛上砝碼盤，調節電子組合儀上的補償電壓旋鈕，使數字電壓表顯示為零。（3）在砝碼盤上分別如0.5g、1.0g、1.5g、2.0g、2.5g、3.0g等質量的砝碼，記錄相應這些砝碼力F作用下，數字電壓表的讀數值U.(4)用最小二乘法作直線擬合,求出感測器靈敏度K.
2、 環的測量與清潔
（1）用遊標卡尺測量金屬圓環的外徑D1和內徑D2 （關於遊標卡尺的使用方法請閱實驗1）
（2）環的表面狀況與測量結果有很大的關係，實驗前應將金屬環狀吊片在NaOH溶液中浸泡20－30秒，然後用淨水洗淨。
3、液體的表面張力係數
（1）將金屬環狀吊片掛在感測器的小鉤上，調節升降台，將液體升至靠近環片的下沿，觀察環狀吊片下沿與待測液面是否平行，如果不平行，將金屬環狀片取下後，調節吊片上的細絲，使吊片與待測液面平行。
（2）調節容器下的升降台，使其漸漸上升，將環片的下沿部分全部浸沒於待測液體，然後反向調節升降台，使液面逐漸下降，這時，金屬環片和液面間形成一環形液膜，繼續下降液面，測出環形液膜即將拉斷前一瞬間數字電壓表讀數值U1和液膜拉斷後一瞬間數字電壓表讀數值U2。
△U=U1-U2
（3）將實驗數據代人公式（2）和（1），求出液體的表面張力係數，並與標準值進行比較。
二、選做部分
測出其他待測液體，如酒精、乙醚、丙酮等在不同濃泄勁時的表面張力係數
三、實驗數據和記錄
1、感測器靈敏度的測量
表14-1
砝碼/g | 0.500 | 1.000 | 1.500 | 2.000 | 2.500 | 3.000 |
電壓/mV |
2、水的表面張力係數的測量
金屬環外徑D1=_________cm,內徑D2=_______ cm, 水的溫度：θ=________τ.
表14-2
編號 | U1/mV | U2/mV | △U/mV | F/N | α/N·mˉ1 |
; | |||||
平均值：α =_______N/m
附：水的表面張力係數的標準值：
水溫t/℃ | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
α/N.m-1 | 0.074 22 | 0.073 22 | 0.072 25 | 0.071 79 | 0.071 18 |
失重張力
2013年6月20日，中國首次太空授課開始。
王亞平利用水袋和金屬圈做成了一個水膜，展示失重狀態下水的表面張力發揮作用。
