液体表面张力系数测定

液体表面张力系数测定

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传感器技术（Ｊ０ｕｍｄｏｆ

７ｒｒａｎｓｄｕｃｅｒｋｈｎｏｌｏｇｙ）

２００３年第２２卷第７期

液体表面张力系数测定

王国余１，张欣２

（１江苏大学理学院，江苏镇江２１２０１３；２上海应用技术学院数理教学部，上海２００２３５）

摘要：利用硅压阻式力传感器测量液体的表面张力系数，改变了传统测量微小拉力的方法，实现了非电量的电测。在测量了多种液体的表面张力系数后，又测量了不同质量分数的乙醇溶液的表面张力系数，研究了混合溶液的表面张力系数与溶液质量分数的关系。实验方法简便易行，直观可见，既提高了实验的准确度，又有助于物理概念的理解。

关键词：表面张力；表面能；拉脱法；压阻式力传感器中圈分类号：０５５２．４＋２ｌ；ＴＰ２１２

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００

９７８７（２００３）０７

００５２—０３

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Ｏ引言

在液体的表面以下厚度约为分子半径作用的区间称为表面层。表面层分子比液体内部分子具有较大的位能。在表面层内分子的内能称为液体的表面能。按照能量最小原理，液体分子有尽量挤入液体内部的趋势，以使液面缩小从而减小系统位能。由于液面的收缩倾向造成的沿着液面切向的收缩张力称为表面张力。

表面张力系数是表征液体性质的一个参数，在表面物理、表面化学、医学等领域中具有重要的意义。影响液体表面张力系数的因素很多，主要有：（１）与液面的性质有关；（２）与液体的温度有关而与液面面积无关；（３）与液面上方相邻物质的性质有关；（４）与液体中杂质的含量有关－“。

测量液体表面张力系数有多种方法，常用的有拉脱法、滴定法【ｏ、毛细管法［ｏ３｜、最大泡压法［４］

收稿日期：２００３一【１ｌ一２４

等：作为教学实验，拉脱法有其明显的优点：直观可见，它直接测量拉力、固体与液面接触长度，可以帮助学生准确理解物理概念。传统的拉脱法可分为ｗｉｌｈｅｌｍｙ吊片法【“、脱环法１５１和提板法…等，虽然采用的与液面相接触的物体的形状各不相同，但一般存在以下问题：（１）仪器稳定性不高，重复性差，实验准确度均受到一定的限制；（２）用铂丝制成的圆环或刀口容易变形和断裂，给实验带来不便；（３）吊片或提板过长时难以保持其平衡和接触角为零。采用一定高度、一定直径的圆环型吊片进行测量，既保持了吊片法和脱环法各自的优点，又避免了两者的缺点，有效地提高了实验的准确度。

除液态金属外，一般液体的表面张力数值均较小，容易蒸发的液体的表面张力就更小。传统的测量微小拉力的装置主要有焦利秤、扭秤等，操作难度大，灵敏度和稳定性差，因而准确度低。作者充分利

万方数据　

液体表面张力系数测定

————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————一

第７期

王国余等：液体表面张力系数测定

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用现代电子技术和传感器技术，设计了用硅压阻式力传感器来测量微小拉力。这种力传感器将弹性梁和集成传感器芯片连成一体，其中集成传感器包括由四个硅扩散电阻器组成的非平衡电桥和信号处理放大电路，其响应快、输出信号大、可靠性高、体积小、电路处理方便，因此，提高了测量微小拉力的灵敏度和准确度，实现了非电量的电测量，同时也有利于计算机的实时测量。

对不同液体和不同质量分数的乙醇溶液的表面张力系数进行了测量，可吼明显观测到不同液体的表面张力系数不一样，同种液体的表面张力系数随着其质量分数的增加而减小。ｌ实验原理

若用吊片与待测液体接触，假定吊片与液体接触角为零，考虑一级近似可以认为脱离力等于表面张力系数乘以周长，即

Ｊ：ａ Ｌ，

式中，为液面的表面张力；Ｌ为吊片与液面接触

的长度；比例系数。为表面张力系数。

实验中采用金属圆环吊片，将其底部水平浸入液面中后，然后缓慢地使其脱离液面。圆环吊片在脱离液面瞬间，可以认为此时受力平衡，即有

，１＝口 丌（Ｄ１＋Ｄ２）＋Ｍ ｇ，式中

，ｌ等于硅力传感器受到的拉力；Ｄｌ，Ｄ２分别

是圆环吊片底面的内外径；Ｍ为吊片的质量；牙为莺力加速度。而此时传感器受到的拉力和输出电压Ｌ，。成正比．有

Ｕｏｕ【ｌ＝愚 ，ｌ，式中女为力传感器的灵敏度，可以用实验的方法

测出。

圆环吊片拉脱后传感器受到的拉力为

＾＝Ｍ ｇ．

同样有Ｕ。ｎ＝６ ，２．

所以圆环吊片拉脱前后输出电压的变化值可表示为

△Ｕ洲＝Ｕｏｕｔｌ—Ｕ叫性＝是 。 “（Ｄｌ＋Ｄ２）由上式可得液体的表面张力系数为

“２矿而面。

△Ｕｍｔ

Ｌ１）

…

２

实验仪器

测量液体表面张力系数的装置如图１所示，主

要包括数字电压表、铁架台、微调升降台、装有力传

万　

方数据感器的固定杆、表面皿和圆环型吊片。

田１

液体采面张力系数测量装置

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１

Ｍ髓ｓＩｌｒｉｎｇｎｐｐａ憎ｔ啦０ｆ山ｅＩｉｑｕｉｄ

ｓ晌ｃｅ船璐ｉ蚰∞ｅｍｃｍ

圆环型吊片如图２所示，侧面开有三个小孔，穿上细线后调节好细线长度，使吊片底面与水平面平行，在节点处固定，再与传感器的拉钩固定。

圈２圆环型吊片Ｈｇ

２｝ｌａＩｌｇｉ哗ｃｉｒｑ畔ｓＨｃｅ

经过对多种直径圆环吊片的实验测试，发现当环的直径在３４ｍｍ附近，液体和金属片接触的接触角近似为零，运用公式（１）测量各种液体的表面张力系数与实际结果较为符合，可以不进行修正＿７Ｊ。这是因为圆环吊片的直径过小时，接触角不为零；而直径过大时环易晃动，会出现不平衡及局部先拉断实验内容和结果ｌ

传感器灵敏度的测定

（１）将传感器的固定杆安装在铁架台的立柱

（２）接通电源，使数字电压表预热直至数值稳（３）依次加挂不同质量的砝码，读出相应的电

压值ｕ…

实验结果见表１。

表１传感器灵敏度的测■

１ｈｂｌ

Ｍｅ酗ｕ代ｍｅｎｔｏｆ

ｔｈｅ蛐脚’ｓ∞ｎ甜ｌｉｖｉｔｖ

将砝码质量乘以镇江市当地的重力加速度后用现象。

３３

上，并保证测力方向和传感器弹簧片平面垂直。

定后凋零。

晟小二乘法拟合，得传感器灵敏度为自＝

２．０８９Ｖ删，拟合结果的相关系数为０．９９９９９８．可见

液体表面张力系数测定

传感器技术

第２２卷

硅压阻式力传感器的输出线性度相当高。

３．２

测出圆环吊片的内外径

用游标卡尺测得圆环吊片的外径Ｄ。＝

３４，９６ｍｍ，内径Ｄ，＝３３．１０ｎｌｒｌｌ。

３．３

测量多种液体的袁面张力系数口

依次测量纯水、无水乙醇、无水乙醚、丙三醇和

无水甲醇的表面张力，并求出相应的表面张力系数，

实验结果见表２（丽。是４次测量的平均值，ｍｖ）。

衰２不同液体的寰面张力系数测量培果

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３．４测量不同质量分数乙醇溶液的表面张力系数

对于不同质量分数的乙醇溶液的表面张力系数的测量可以分两次进行。首先测量出一定量无水乙醇的表面张力系数，然后逐次加入适量的纯水，测量出质量分数为５０％以上的乙醇溶液的表面张力系数；第二次反过来，先测量出一定量纯水的表面张力系数，然后逐次加入适量的乙醇，从而测量出质量分数在５０％以下的乙醇溶液的表面张力系数。测量结果见表３，其中‰为水的表面张力系数。

寰３不同质量分数Ｚ醇溶液的寰面张力系戢测量结果

１铀３

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方数据４实验结果分析和结论

（１）从实验结果看，利用硅压阻式力传感器测得的表面张力系数与参考值较吻合，采用直径３４ｍｍ环状吊片，无需进行修正。实验方法简便易行，有效地提高了实验结果的准确度。

（２）本实验用力传感器既实现了微小拉力的非电量的电测，又展示了表面张力拉脱的全过程，有助于学生准确理解表面张力的概念。同时通过对不同质量分数的乙醇溶液的表面张力系数的测定，可以使学生对溶液质量分数增加表面张力系数减小有直观的感性认识，从而加深对理论的理解。

（３）从不同质量分数的乙醇溶液的表面张力系数的测量结果可以知道，这类溶剂加入会使水的表面张力系数下降，但表面张力系数并不是其质量分

数的线性函数，由表３可以看出，在质量分数为１０％内，表面张力系数下降速率很快，但质量分数增加到４０％以后，其值变化较小。许多不离解的有机化合物，短链、低摩尔物质的脂肪酸、醇、醛的水溶液都属于这种类型。参考文献：

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Ｙ０ｒｋ：ＣＲＣＰｒｅｓｓ，Ｂ。ｃａＲａｔｏｎ，１９９９

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作者简介：

王国余（１９６８一），男．江苏省靖江市人．工程师，硕士，主要从事光电测量和自动控制方面的研究。