表面張力測量原理

液(ye)體(ti)表(biao)面(mian)(mian)張力有著一種互相吸引的(de)傾向，當液(ye)體(ti)與水氣面(mian)(mian)（氣體(ti)）互相接觸時，而兩(liang)者之(zhi)間產(chan)生(sheng)的(de)面(mian)(mian)，便(bian)是所(suo)(suo)知(zhi)道的(de)“界面(mian)(mian)”。一個非常貼切的(de)例(li)子是：一滴水自空氣中落下所(suo)(suo)形成(cheng)的(de)球形狀態，是因(yin)為表(biao)面(mian)(mian)張力使它表(biao)面(mian)(mian)最小化而成(cheng)的(de)體(ti)積。

表(biao)面張力產生的原(yuan)因是(shi)液體跟(gen)氣體接觸的表(biao)面存在一個薄層，叫做表(biao)面層，表(biao)面層里的分(fen)(fen)子比液體內(nei)(nei)部稀疏，分(fen)(fen)子間(jian)的距離比液體內(nei)(nei)部大一些，分(fen)(fen)子間(jian)的相互(hu)作用(yong)表(biao)現為(wei)引力。如同要把彈簧(huang)(huang)拉開些，彈簧(huang)(huang)反而(er)表(biao)現具有收縮的趨(qu)勢。正是(shi)因為(wei)這(zhe)種(zhong)張力的存在，有些小(xiao)昆蟲才能(neng)無拘(ju)無束地(di)在水面上行走(zou)自如。分(fen)(fen)子在液體表(biao)面揮發(fa)出很強(qiang)的吸引力，互(hu)相吸引在鄰近的分(fen)(fen)子，這(zhe)種(zhong)合力在每(mei)一單(dan)位長度的表(biao)面任何交點成垂直線，便(bian)是(shi)所述的表(biao)面張力，它是(shi)以Dynes/cm為(wei)測量單(dan)位。

表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)測量(liang)方法(fa)(fa)(fa)有電導法(fa)(fa)(fa)、表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)法(fa)(fa)(fa)、光散射法(fa)(fa)(fa)、染料法(fa)(fa)(fa)等(deng)，目前還有許多現代儀器方法(fa)(fa)(fa)測定CMC，如(ru)熒光光度法(fa)(fa)(fa)、核磁共(gong)振(zhen)法(fa)(fa)(fa)、導數光譜法(fa)(fa)(fa)等(deng)。我們以最大氣泡(pao)壓力(li)法(fa)(fa)(fa)為例來說明表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)的測量(liang)原(yuan)理。

最大氣泡壓力法

最(zui)大氣(qi)(qi)泡壓力(li)(li)(li)法，氣(qi)(qi)泡在(zai)壓力(li)(li)(li)下出自不同(tong)直(zhi)徑的兩支(zhi)玻璃管口，在(zai)液(ye)體里最(zui)大壓力(li)(li)(li)差(cha)產生的氣(qi)(qi)泡直(zhi)接與表(biao)面張力(li)(li)(li)是成正比例的。表(biao)面活性劑(ji)內含的活性分子(zi)的表(biao)面張力(li)(li)(li)變化便(bian)(bian)需要(yao)用最(zui)大氣(qi)(qi)泡壓力(li)(li)(li)法去測量。氣(qi)(qi)泡形成時，根據速度的改變所得到的數據，便(bian)(bian)可作為研究表(biao)面活性劑(ji)的活躍分子(zi)擴散時間，即是動態表(biao)面張力(li)(li)(li)測量方(fang)法。

表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)的(de)(de)活(huo)躍分(fen)子(zi)，動(dong)態(tai)(tai)是(shi)它的(de)(de)特征(zheng)，表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)高，界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)擴展時(shi)間(jian)(jian)便(bian)減(jian)少，限制(zhi)了表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)分(fen)子(zi)移(yi)往(wang)界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)，因(yin)此便(bian)發現液體的(de)(de)測量(liang)尺度(du)可(ke)以是(shi)動(dong)態(tai)(tai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)或表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)擴散(san)時(shi)間(jian)(jian)。而表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)亦(yi)顯示了它的(de)(de)3個特征(zheng)，即表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)測量(liang)的(de)(de)同(tong)時(shi)可(ke)研究(jiu)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)活(huo)性(xing)(xing)劑(ji)濃度(du)功能，動(dong)態(tai)(tai)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)張(zhang)力(li)和(he)界(jie)面(mian)(mian)(mian)(mian)擴散(san)時(shi)間(jian)(jian)。

表(biao)面(mian)(mian)張力(li)(li)計可(ke)以(yi)從(cong)表(biao)面(mian)(mian)活性(xing)劑的(de)(de)(de)(de)動(dong)(dong)態(tai)曲線的(de)(de)(de)(de)任何點做(zuo)開始間歇或連(lian)續測量(liang)，而連(lian)續測量(liang)的(de)(de)(de)(de)功能是基于表(biao)面(mian)(mian)張力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)控制參數。在慢速(su)度(du)的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)下，表(biao)面(mian)(mian)張力(li)(li)擴(kuo)散(san)時(shi)(shi)間大約等于氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)速(su)度(du)，當氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)速(su)度(du)增加時(shi)(shi)，表(biao)面(mian)(mian)擴(kuo)散(san)時(shi)(shi)間與氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)速(su)度(du)即成反比例的(de)(de)(de)(de)減少。如果氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)速(su)度(du)很快增加，氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)便會連(lian)接一起(qi)，形成振蕩射流式（測量(liang)動(dong)(dong)態(tai)表(biao)面(mian)(mian)張力(li)(li)），示波器的(de)(de)(de)(de)相關軟件程序可(ke)以(yi)準確(que)檢(jian)驗(yan)（核實）氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)分離(li)和準確(que)讀出(chu)快速(su)氣(qi)(qi)(qi)泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)散(san)時(shi)(shi)間。

表面張力測量儀器——表面張力計

表面張力計是專業用(yong)于測(ce)量液體表面張(zhang)力值的(de)(de)(de)專業測(ce)量儀器，包括(kuo)氣泡發生單元(yuan)(yuan)、壓力感應單元(yuan)(yuan)、溫度檢(jian)測(ce)單元(yuan)(yuan)和顯示器。通過單片機控(kong)制微泵的(de)(de)(de)氣體進(jin)出流量，避免額定功率的(de)(de)(de)氣泵或玻璃裝置帶來的(de)(de)(de)儀器或人為誤差，提高了測(ce)量的(de)(de)(de)精密度，且操作簡(jian)單。

張力計結構

表面張力(li)(li)計組(zu)成包括(kuo)氣泡發(fa)生(sheng)單(dan)元、壓(ya)力(li)(li)感(gan)應(ying)單(dan)元、溫度(du)檢(jian)測單(dan)元以及顯示器(qi)，如右(you)圖，氣泡發(fa)生(sheng)單(dan)元、壓(ya)力(li)(li)感(gan)應(ying)單(dan)元、溫度(du)檢(jian)測單(dan)元分別與顯示器(qi)相(xiang)連接(jie)，氣泡發(fa)生(sheng)單(dan)元與壓(ya)力(li)(li)感(gan)應(ying)單(dan)元連接(jie)。

氣(qi)泡發生(sheng)單元包括毛(mao)細管、微(wei)泵(beng)和diyi電子驅動控制(zhi)器(qi)，用于向(xiang)液體(ti)表面輸(shu)出氣(qi)體(ti)產生(sheng)氣(qi)泡；微(wei)泵(beng)上設(she)有(you)進氣(qi)口(kou)、出氣(qi)口(kou)和連接頭，毛(mao)細管的一(yi)端(duan)通過出氣(qi)口(kou)與微(wei)泵(beng)連接，diyi驅動控制(zhi)器(qi)與顯示器(qi)相連；

壓力感(gan)應(ying)單元包括壓力傳(chuan)感(gan)器和第二電子(zi)驅動控制器，用于檢測氣泡(pao)產(chan)生的壓力；毛(mao)細(xi)管、出氣口和壓力傳(chuan)感(gan)器通過三通相(xiang)互連接，第二電子(zi)驅動器與壓力傳(chuan)感(gan)器。顯示器連接；

溫度檢(jian)測(ce)單元包括溫度檢(jian)測(ce)器和溫度傳(chuan)感棒(bang)，用于(yu)檢(jian)測(ce)液體的溫度；溫度傳(chuan)感棒(bang)一端與(yu)溫度檢(jian)測(ce)器連(lian)接，另一端深入液體內部(bu)；溫度檢(jian)測(ce)器與(yu)顯(xian)示(shi)器連(lian)接。

表面張力計算公式

F=б∫dl

б=△E/△A

其中(zhong)∫dl為(wei)液體表(biao)(biao)(biao)面邊界(jie)環路(lu)積分，б為(wei)表(biao)(biao)(biao)面張(zhang)力系數，E為(wei)表(biao)(biao)(biao)面自由能。

表(biao)面張(zhang)力一般(ban)是實驗測(ce)定(ding)的，除了做題的時候沒人(ren)會算這(zhe)個，因為要算的話(hua)б要測(ce)定(ding)，l要測(ce)定(ding)，還不如直接把F測(ce)出來完了…

結論

1、在實際測量表面(mian)張力(li)(li)時(shi)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)根據(ju)要(yao)求(qiu)的(de)實驗精(jing)(jing)度、溫度壓(ya)力(li)(li)和(he)設(she)備的(de)實現難易(yi)程(cheng)度來(lai)選擇。當要(yao)求(qiu)精(jing)(jing)度比較高時(shi)，可(ke)(ke)以(yi)(yi)采用(yong)毛(mao)細管上升(sheng)法(fa)(fa)(fa)(fa)、最大氣泡壓(ya)力(li)(li)法(fa)(fa)(fa)(fa)、DuNouy吊片法(fa)(fa)(fa)(fa)，否(fou)則可(ke)(ke)以(yi)(yi)選擇Wilhelmy吊環法(fa)(fa)(fa)(fa)、懸(xuan)滴(di)法(fa)(fa)(fa)(fa)或旋滴(di)法(fa)(fa)(fa)(fa)。當溫度和(he)壓(ya)力(li)(li)比較高的(de)時(shi)候，可(ke)(ke)以(yi)(yi)采用(yong)毛(mao)細管上升(sheng)法(fa)(fa)(fa)(fa)、滴(di)體積法(fa)(fa)(fa)(fa)、旋滴(di)法(fa)(fa)(fa)(fa)、懸(xuan)滴(di)法(fa)(fa)(fa)(fa)、最大氣泡壓(ya)力(li)(li)法(fa)(fa)(fa)(fa)和(he)震蕩射(she)流法(fa)(fa)(fa)(fa)進行(xing)測定。

2、當(dang)同時考察溫度(du)(du)、壓力(li)和氣氛對表面(mian)張(zhang)力(li)的(de)(de)影響時，懸滴(di)(di)(di)法(fa)是最有效(xiao)的(de)(de)方法(fa)之一。隨著CCD攝(she)像(xiang)技(ji)術和計算機圖(tu)像(xiang)采集處理技(ji)術的(de)(de)發展(zhan)，促進(jin)了滴(di)(di)(di)外形(xing)法(fa)的(de)(de)發展(zhan)，該(gai)技(ji)術不但可以(yi)研究懸滴(di)(di)(di)和躺滴(di)(di)(di)，而且可以(yi)測(ce)定震蕩(dang)泡壓；既可以(yi)遙控測(ce)定在(zai)模(mo)(mo)擬空間(jian)站的(de)(de)微重力(li)環境下(xia)的(de)(de)張(zhang)力(li)和膨脹粘度(du)(du)，又可以(yi)模(mo)(mo)擬地下(xia)溫度(du)(du)、壓力(li)，測(ce)定油一水(shui)界面(mian)張(zhang)力(li)，可實現全自動(dong)測(ce)量(liang)，測(ce)量(liang)速度(du)(du)極(ji)快(kuai)，排除人為因(yin)素的(de)(de)影響，數據(ju)客觀可靠。因(yin)此，應用軸稱(cheng)滴(di)(di)(di)形(xing)分析技(ji)術的(de)(de)懸滴(di)(di)(di)法(fa)必將在(zai)表面(mian)及界面(mian)科(ke)學研究中發揮巨大的(de)(de)作(zuo)用。