表面張力測量原理

液體表(biao)(biao)面張(zhang)力有著(zhu)一種互(hu)(hu)相(xiang)吸引的(de)(de)(de)傾向(xiang)，當液體與水氣面（氣體）互(hu)(hu)相(xiang)接觸時(shi)，而(er)兩者(zhe)之間產生的(de)(de)(de)面，便是所知道(dao)的(de)(de)(de)“界(jie)面”。一個非常(chang)貼切的(de)(de)(de)例子(zi)是：一滴水自(zi)空氣中(zhong)落下所形成的(de)(de)(de)球(qiu)形狀態，是因為表(biao)(biao)面張(zhang)力使它(ta)表(biao)(biao)面最小化而(er)成的(de)(de)(de)體積。

表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)產生的(de)(de)原因(yin)是(shi)液(ye)體跟氣(qi)體接觸的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)存在(zai)一個薄層(ceng)，叫做表(biao)(biao)面(mian)(mian)層(ceng)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)層(ceng)里的(de)(de)分子(zi)比液(ye)體內(nei)部(bu)稀疏(shu)，分子(zi)間(jian)的(de)(de)距(ju)離比液(ye)體內(nei)部(bu)大一些(xie)，分子(zi)間(jian)的(de)(de)相互(hu)作用表(biao)(biao)現為引(yin)(yin)力(li)。如同要把彈(dan)簧拉開些(xie)，彈(dan)簧反而(er)表(biao)(biao)現具有(you)收縮的(de)(de)趨(qu)勢。正(zheng)是(shi)因(yin)為這種(zhong)張力(li)的(de)(de)存在(zai)，有(you)些(xie)小昆(kun)蟲才能無拘無束地在(zai)水面(mian)(mian)上行走自如。分子(zi)在(zai)液(ye)體表(biao)(biao)面(mian)(mian)揮發出很強的(de)(de)吸引(yin)(yin)力(li)，互(hu)相吸引(yin)(yin)在(zai)鄰(lin)近的(de)(de)分子(zi)，這種(zhong)合力(li)在(zai)每一單位長度的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)任何交點(dian)成垂直線，便是(shi)所述(shu)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)，它是(shi)以Dynes/cm為測(ce)量單位。

表面張(zhang)力(li)測(ce)(ce)量方法有電導法、表面張(zhang)力(li)法、光(guang)(guang)(guang)(guang)散射(she)法、染料法等，目前還有許多現代儀(yi)器方法測(ce)(ce)定CMC，如熒(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)度法、核磁共振法、導數光(guang)(guang)(guang)(guang)譜法等。我(wo)們以最大氣泡(pao)壓力(li)法為(wei)例來說明(ming)表面張(zhang)力(li)的測(ce)(ce)量原理。

表面張力的測定方法及其原理和步驟

最大氣泡壓力法

最大氣泡壓力法，氣泡在壓力下出自不同直徑的兩支玻璃管口，在液體里最大壓力差產生的氣泡直接與表面張力是成正比例的。表面活性劑內含的活性分子的表面張力變化便需要用最大氣泡壓力法去測量。氣泡形成時，根據速度的改變所得到的數據，便可作為研究表面活性劑的活躍分子擴散時間，即是動態表面張力測量方法。

表(biao)(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑的活躍分子，動(dong)態是(shi)它的特(te)征(zheng)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力高，界(jie)面(mian)(mian)擴(kuo)展(zhan)時(shi)間(jian)便減少，限制了表(biao)(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑分子移往界(jie)面(mian)(mian)，因此便發現液體的測量尺度(du)可(ke)(ke)以是(shi)動(dong)態表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力或表(biao)(biao)面(mian)(mian)擴(kuo)散時(shi)間(jian)。而表(biao)(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑亦顯示了它的3個特(te)征(zheng)，即表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力測量的同(tong)時(shi)可(ke)(ke)研(yan)究表(biao)(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑濃度(du)功能，動(dong)態表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力和(he)界(jie)面(mian)(mian)擴(kuo)散時(shi)間(jian)。

表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力計可以(yi)從(cong)表(biao)面(mian)(mian)活性劑的(de)動(dong)態(tai)曲線的(de)任(ren)何點(dian)做(zuo)開始間歇或連續測(ce)(ce)量，而(er)連續測(ce)(ce)量的(de)功能(neng)是基于表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力的(de)控制參數。在慢速(su)(su)度的(de)氣(qi)(qi)泡下(xia)，表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力擴(kuo)散時(shi)間大約等于氣(qi)(qi)泡速(su)(su)度，當氣(qi)(qi)泡速(su)(su)度增加(jia)(jia)時(shi)，表(biao)面(mian)(mian)擴(kuo)散時(shi)間與氣(qi)(qi)泡速(su)(su)度即成反(fan)比例的(de)減少。如(ru)果氣(qi)(qi)泡速(su)(su)度很(hen)快增加(jia)(jia)，氣(qi)(qi)泡便會連接一起，形(xing)成振(zhen)蕩射(she)流式（測(ce)(ce)量動(dong)態(tai)表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力），示波器的(de)相(xiang)關軟(ruan)件(jian)程(cheng)序(xu)可以(yi)準(zhun)確(que)檢驗（核實）氣(qi)(qi)泡分離和準(zhun)確(que)讀出快速(su)(su)氣(qi)(qi)泡的(de)擴(kuo)散時(shi)間。

表面(mian)張(zhang)力測量儀器——表面(mian)張(zhang)力計

表面張(zhang)力(li)(li)計(ji)是專業用于測量(liang)液體表面張(zhang)力(li)(li)值的專業測量(liang)儀(yi)器，包括氣泡(pao)發(fa)生單(dan)元(yuan)、壓力(li)(li)感應單(dan)元(yuan)、溫度檢測單(dan)元(yuan)和(he)顯(xian)示器。通過單(dan)片機控制(zhi)微泵的氣體進出流量(liang)，避免額定功率的氣泵或(huo)(huo)玻(bo)璃裝置帶來的儀(yi)器或(huo)(huo)人為(wei)誤差(cha)，提高(gao)了測量(liang)的精(jing)密度，且操作簡(jian)單(dan)。

張力計結構

表面張力(li)計組成包括氣(qi)泡發生(sheng)(sheng)單(dan)元(yuan)(yuan)、壓(ya)力(li)感應(ying)單(dan)元(yuan)(yuan)、溫度檢(jian)(jian)測單(dan)元(yuan)(yuan)以及顯示(shi)(shi)器(qi)，如右圖，氣(qi)泡發生(sheng)(sheng)單(dan)元(yuan)(yuan)、壓(ya)力(li)感應(ying)單(dan)元(yuan)(yuan)、溫度檢(jian)(jian)測單(dan)元(yuan)(yuan)分(fen)別與(yu)顯示(shi)(shi)器(qi)相連接，氣(qi)泡發生(sheng)(sheng)單(dan)元(yuan)(yuan)與(yu)壓(ya)力(li)感應(ying)單(dan)元(yuan)(yuan)連接。

氣(qi)泡發生(sheng)單(dan)元包括毛細管、微(wei)泵和(he)第一(yi)電子驅動控制器，用于向液體(ti)表面(mian)輸(shu)出氣(qi)體(ti)產生(sheng)氣(qi)泡；微(wei)泵上設有進氣(qi)口(kou)、出氣(qi)口(kou)和(he)連(lian)接頭，毛細管的一(yi)端通過出氣(qi)口(kou)與微(wei)泵連(lian)接，第一(yi)驅動控制器與顯示器相連(lian)；

壓(ya)力感應單元(yuan)包括壓(ya)力傳感器(qi)(qi)和(he)第(di)二(er)電子(zi)驅動控制器(qi)(qi)，用于檢測氣(qi)(qi)泡產生的壓(ya)力；毛(mao)細(xi)管、出氣(qi)(qi)口和(he)壓(ya)力傳感器(qi)(qi)通過三通相(xiang)互(hu)連接，第(di)二(er)電子(zi)驅動器(qi)(qi)與壓(ya)力傳感器(qi)(qi)。顯(xian)示(shi)器(qi)(qi)連接；

溫(wen)(wen)度檢(jian)(jian)測單元包括溫(wen)(wen)度檢(jian)(jian)測器和溫(wen)(wen)度傳感(gan)棒(bang)，用于檢(jian)(jian)測液體(ti)的溫(wen)(wen)度；溫(wen)(wen)度傳感(gan)棒(bang)一(yi)端與(yu)溫(wen)(wen)度檢(jian)(jian)測器連接，另(ling)一(yi)端深入液體(ti)內部；溫(wen)(wen)度檢(jian)(jian)測器與(yu)顯示器連接。

表面張力計算公式

F=б∫dl

б=△E/△A

其中∫dl為液體表(biao)面(mian)邊界環路(lu)積分(fen)，б為表(biao)面(mian)張力系數，E為表(biao)面(mian)自由能(neng)。

表面張力一般是(shi)實驗測(ce)定的(de)，除了做題的(de)時候沒人(ren)會算這個，因為要(yao)算的(de)話б要(yao)測(ce)定，l要(yao)測(ce)定，還不如直接把(ba)F測(ce)出來完了…

結論

1、在實際測量表面(mian)張力(li)時，可以根據(ju)要求的(de)實驗精度(du)(du)(du)、溫度(du)(du)(du)壓力(li)和設(she)備的(de)實現難易程度(du)(du)(du)來選擇(ze)。當要求精度(du)(du)(du)比較高時，可以采用毛(mao)細管上升法(fa)(fa)、最(zui)大氣泡壓力(li)法(fa)(fa)、DuNouy吊(diao)片法(fa)(fa)，否則可以選擇(ze)Wilhelmy吊(diao)環(huan)法(fa)(fa)、懸(xuan)滴(di)法(fa)(fa)或旋滴(di)法(fa)(fa)。當溫度(du)(du)(du)和壓力(li)比較高的(de)時候，可以采用毛(mao)細管上升法(fa)(fa)、滴(di)體積法(fa)(fa)、旋滴(di)法(fa)(fa)、懸(xuan)滴(di)法(fa)(fa)、最(zui)大氣泡壓力(li)法(fa)(fa)和震蕩射(she)流法(fa)(fa)進行測定(ding)。

2、當同時考察溫度、壓力和氣氛對表面張力的影響時，懸滴法是最有效的方法之一。隨著CCD攝像技術和計算機圖像采集處理技術的發展，促進了滴外形法的發展，該技術不但可以研究懸滴和躺滴，而且可以測定震蕩泡壓；既可以遙控測定在模擬空間站的微重力環境下的絕對張力和膨脹粘度，又可以模擬地下溫度、壓力，測定油一水界面張力，可實現全自動測量，測量速度(du)極(ji)快，排除(chu)人為因(yin)素(su)的影(ying)響，數(shu)據客觀可靠。因(yin)此，應用軸稱(cheng)滴(di)形分析技術(shu)的懸滴(di)法必將在表面及界(jie)面科學研究中發(fa)揮巨大的作用。

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