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液體表面張力

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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。 

1 液體表面張力 -簡介

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。 

2 液體表面張力 -影響因素

內因
液體表面張力液體表面張力

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72.8mN/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。
註:液體(0度以上時)表面張力最弱的是酒精。

3 液體表面張力 -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;動力學法有震蕩射流法、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、震蕩射流法、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應用的實例很少。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,升到一定高度后, 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/(2cosθ) ,式中γ為表面張力,r 為毛細管的半徑, h 為毛細管中液面上升的高度,ρ為測量液體的密度, g 為當地的重力加速度,θ為液體與管壁的接觸角。

Wilhelmy 盤法

液體表面張力
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。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

液體表面張力
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。

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。

滴體積法

液體表面張力
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

液體表面張力

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, 氣泡最大壓力如圖。

差分最大氣泡壓力法

液體表面張力
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, 后經過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數。

4 液體表面張力 -航天員展示失重環境下液體表面張力

液體表面張力液體表面張力

2013年6月20日,中國首次太空授課開始。

神舟十號航天員在天宮一號開展基礎物理實驗,展示失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象。

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。

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