表面張力系數(shù)測定

用拉脫法測液體表面張力系數(shù)液體具有盡量縮小其表面的趨勢，好象液體表面是一張拉緊了的橡皮膜一樣。把這種沿著表面的、收縮液面的力稱為表面張力。表面張力的存在能說明物質(zhì)處于液態(tài)時(shí)所特有的許多現(xiàn)象，比如泡沫的形成、潤濕和毛細(xì)現(xiàn)象等等。在工業(yè)技術(shù)上，如礦物的浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)等方法都要對(duì)表面張力進(jìn)行研究。測定液體表面張力的方法很多，常用的有拉脫法、毛細(xì)管法、最大氣泡壓力法等。本實(shí)驗(yàn)采用拉脫法的是一種直接測定方法?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、 學(xué)習(xí)焦利秤測量微小力的原理和方法。2、 了解液體表面的性質(zhì)，測定液體的表面張力系數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】液體表面層（其厚度等于分子的作用半徑，約10-知）內(nèi)的分子所處的環(huán)境跟液體內(nèi)部的分子是不同的。在液體內(nèi)部，每個(gè)分子四周都被同類的其他分子所包圍，它所受到的周圍分子的作用力的合力為零。由于液體上方的氣相層的分子數(shù)很少，表面層內(nèi)每一個(gè)分子受到的向上的引力比向下的引力小，合力不為零，這個(gè)合力垂直于液面并指向液體內(nèi)部，如圖4.15-1所示，所以分子有從液面擠入液體內(nèi)部的傾向，并使液體表面自然收縮，直到處于動(dòng)態(tài)平衡，即在同一時(shí)間內(nèi)脫離液面擠入液體內(nèi)部的分子數(shù)和因熱運(yùn)動(dòng)而到達(dá)液面的分子數(shù)相等時(shí)為止。圖4.15-1液體表面層和內(nèi)部分子受力示意圖將一表面潔凈的矩形金屬絲框豎直地浸入水中，使其底邊保持水平，然后輕輕提起，則其附近的液面將呈現(xiàn)出如圖4.15-2所示的形狀，即絲框上掛有一層水膜。水膜的兩個(gè)表面沿著切線方向有作用力/?，稱為表面張力，0為接觸角，當(dāng)緩緩拉出金屬絲框時(shí)，接觸角（P逐漸減小而趨向于零。這時(shí)表面張力f垂直向下，其大小與金屬絲框水平段的長度l成正

比，故有比，故有f=2al式中，比例系數(shù)a稱為表面張力系數(shù)，它在數(shù)值上等于單位長度上的表面張力。在國際單位制中，a的單位為N-m-1。表面張力系數(shù)a與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，液體的溫度越高，a值越?。凰s質(zhì)越多，a值也越小。因此，在測定a值時(shí)，必須注明是在什么溫度下測定的，并且要十分注意被測液體的純度，測量工具（金屬絲框、盛液器皿等）應(yīng)清潔不沾污漬。Ff水面d9WF水面d9W液體表面張力受力分析在金屬絲框緩慢拉出水面的過程中，金屬絲框下面將帶起一水膜，當(dāng)水膜剛被拉斷時(shí)，諸力的平衡條件是：F=W+2al+ldhpFf水面d9WF水面d9W液體表面張力受力分析在金屬絲框緩慢拉出水面的過程中，金屬絲框下面將帶起一水膜，當(dāng)水膜剛被拉斷時(shí)，諸力的平衡條件是：F=W+2al+ldhpg(4.15-1)式中，F(xiàn)為彈簧向上的拉力，W為水膜被拉斷時(shí)金屬絲框的重力和所受浮力之差，l為金屬絲框的長度，d為金屬絲的直徑，即水膜的厚度，h為水膜被拉斷時(shí)的高度，p為水的密度，g為重力加速度，ldhpg為水膜的重力，由于金屬絲的直徑很小，所以這項(xiàng)值不大。由于水膜有前后兩面，所以上式中的表面張力為2al。由（4.15-1）式中解得：2l(4.15-2)實(shí)驗(yàn)中先測出焦利秤的倔強(qiáng)系數(shù)奴然后用焦利秤測出和公式（4.15-2）中F-W相對(duì)應(yīng)的彈簧伸長量'L，則有：kAL—ldhpg2l(4.15-3)（4.15-3）式即為實(shí)驗(yàn)公式?！緦?shí)驗(yàn)儀器】焦利秤、金屬絲框、砝碼、玻璃皿、游標(biāo)卡尺。一、焦利秤簡介焦利秤的構(gòu)造如圖所示，它實(shí)際上是一種用于測微小力的精細(xì)彈簧秤。一金屬套管A垂直豎立在三角底座上，調(diào)節(jié)底座上的螺絲，可使金屬套管A處于垂直狀態(tài)。帶有毫米標(biāo)尺的圓柱B套在金屬套管內(nèi)。在金屬套管A的上端固定有游標(biāo)，圓柱B頂端伸出的支臂上掛一錐形彈簧S。轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕G可使圓柱B上下移動(dòng)，因而也就調(diào)節(jié)了彈簧S的升降。彈簧上升或下降的距離由主尺（圓柱B）和游標(biāo)來確定。一、焦利秤簡介E為固定在金屬套管A上一側(cè)刻有刻線的玻璃圓筒，D為掛在彈簧S下端的兩頭帶鉤的小平面鏡，鏡面上有一刻線。實(shí)驗(yàn)時(shí)，使玻璃圓筒E上的刻線、小平面鏡上的刻線、E上的刻線在小平面鏡中的象，三者始終重合，簡稱“三線對(duì)齊”。用這種方法可保證彈簧下端的位置是固定的，彈簧的伸長量可由主尺和游標(biāo)定出來（即伸長前后兩次讀數(shù)之差值），一般的彈簧秤都是彈簧秤上端固定，在下端加負(fù)載后向下伸長，而焦利秤與之相反，它是控制彈簧下端的位置保持一定，加負(fù)載后向上拉動(dòng)彈簧確定伸長值。C為一平臺(tái)，轉(zhuǎn)動(dòng)其下端的螺釘時(shí)平臺(tái)C可升降但不轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)在力F作用下彈簧伸長△/，根據(jù)虎克定律可知，在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量^l與所加的外力F成正比，即F=kM式中k是彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。對(duì)于一個(gè)特定的彈簧，k值是一定的。如果將已知重量的砝碼加在砝碼盤中，測出彈簧的伸長量，由上式即可計(jì)算該彈簧的k值。這一步驟稱為焦利秤的校準(zhǔn)。焦利秤校準(zhǔn)后，只要測出彈簧的伸長量，就可計(jì)算出作用于彈簧上的外力F。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、測量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)k。將彈簧、砝碼盤掛在焦利秤上，調(diào)節(jié)三角底座上的螺釘，使小鏡M穿過玻璃圓筒E的中心，這時(shí)彈簧將與金屬套管A平行。在秤盤上加1克砝碼，轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕E使彈簧上升，直至“三線對(duì)齊”為止。這時(shí)讀出游標(biāo)零線所指示的毫米標(biāo)尺B上的讀數(shù)L0。以后每加0.5克砝碼，調(diào)整一次旋鈕G使“三線對(duì)齊”，再記下B上的讀數(shù)，直至加到3.5克。之后遞減砝碼，每減0.5克，調(diào)整一

次旋鈕G使“三線對(duì)齊”，記下B上的讀數(shù)，直至1克砝碼。將所記數(shù)據(jù)填入表格，用逐差法處理數(shù)據(jù)，求出倔強(qiáng)系數(shù)k值。2、測量液體的表面張力系數(shù)。將待測液體倒入洗凈干燥的燒杯中，置于平臺(tái)C上，并將金屬絲框懸掛于砝碼盤下端的小鉤上，使金屬絲框完全浸入水中，調(diào)節(jié)旋鈕E使“三線對(duì)齊”。調(diào)節(jié)時(shí)要保證金屬絲框始終處于水面以下。轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)C下端的旋鈕使平臺(tái)稍微下降一點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)旋鈕G重新使“三線對(duì)齊”，重復(fù)上述調(diào)節(jié)，當(dāng)金屬框剛好到達(dá)水面時(shí)，記下旋鈕的位置§。使平臺(tái)H繼續(xù)下降一點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)旋鈕G使“三線對(duì)齊”，不斷重復(fù)該步驟，金屬絲框?qū)⒙冻鲆好妫⒃诒砻鎻埩Φ淖饔孟聨鹨灰耗?，直到液膜被破壞時(shí)為止。記下液膜被破壞時(shí)毫米標(biāo)尺上的讀數(shù)L1（用游標(biāo)讀到0.1mm）和旋鈕的位置S2，如圖（4.15-4）所示。圖4.15-4測量表面張力系數(shù)示意圖圖4.15-4測量表面張力系數(shù)示意圖用吸水紙將金屬絲框上的小水珠輕輕地吸去，轉(zhuǎn)動(dòng)升降旋鈕G使金屬絲框緩緩下降，直到“三線對(duì)齊”，讀出毫米標(biāo)尺上的讀數(shù)I?，則公式（2）中的”-W=叫-L）。將步驟2重復(fù)5次。3、 用游標(biāo)卡尺測金屬絲框的長度l和直徑d各一次。4、 求h值，測量過程中S1和S2之差即為水膜的高度，h=S1—S2。5、 用溫度計(jì)測出實(shí)驗(yàn)時(shí)的水溫。注意事項(xiàng)：1、 焦利秤中使用的彈簧是精密易損元件，要輕拿輕放，切忌用力拉。2、 實(shí)驗(yàn)時(shí)動(dòng)作必須仔細(xì)、緩慢。平臺(tái)一次只能下降一點(diǎn)，如果動(dòng)作鹵莽，會(huì)使液膜過早破裂，帶來較大誤差。3、 每次實(shí)驗(yàn)前要用氫氧化鈉溶液清洗玻璃杯和金屬絲框，然后用潔凈水沖洗多次才能使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用吸水紙將金屬絲框表面擦干，以免銹蝕。【數(shù)據(jù)處理】1、求彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)k。測彈簧倔強(qiáng)系數(shù)k測量次數(shù)012345砝碼重量(g)1.001.502.002.503.003.50增重讀數(shù)Lt(mm)減重讀數(shù)L’t(mm)平均值L.(mm)△. L」3—L(mm)△l=3乏△l.(mm) 計(jì)算倔強(qiáng)系數(shù)k== (N,m-1)，△lk=k土Uk= (N-m-1)2、測定液體的表面張力系數(shù)a。表4—38 測定表面張力系數(shù)測量次數(shù)12345L/mm)L2(mm)△L=L1-L2(mm)平均值△S9h邳廠S2平均值h金屬絲框長度l= (mm), 金屬絲直徑d= (mm)-kAL-ldhpg計(jì)算表面張力系數(shù)任=——萬——= (N-m-1)