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液體表/界面張力測量方法概述

來源(yuan):奈(nai)奈(nai)生(sheng) 瀏覽(lan) 507 次(ci) 發布時(shi)間:2022-10-08

表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)(li)是(shi)(shi)由(you)物態內部(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)(或(huo)原子(zi)(zi)(zi))間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)相互(hu)吸(xi)引(yin)力(li)(li)導(dao)致的(de)(de)(de)(de)(de),拿液(ye)體(ti)(ti)(ti)為例,液(ye)體(ti)(ti)(ti)內部(bu)(bu)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)力(li)(li)一(yi)般比氣(qi)體(ti)(ti)(ti)中分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)(jian)(jian)或(huo)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)與液(ye)體(ti)(ti)(ti)之間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)之間(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)吸(xi)引(yin)力(li)(li)要大。表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)起因實際(ji)上是(shi)(shi)界(jie)面所造(zao)成的(de)(de)(de)(de)(de)不對稱(cheng),是(shi)(shi)一(yi)個位于(yu)表(biao)(biao)面內的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)。嚴格地說表(biao)(biao)面是(shi)(shi)指液(ye)體(ti)(ti)(ti)與其本身的(de)(de)(de)(de)(de)飽(bao)和(he)蒸汽間(jian)(jian)(jian)(jian)形(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)特殊相界(jie)面,而界(jie)面則(ze)是(shi)(shi)通指一(yi)液(ye)體(ti)(ti)(ti)與另一(yi)互(hu)不相如溶的(de)(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)(或(huo)流體(ti)(ti)(ti))之間(jian)(jian)(jian)(jian)形(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)相界(jie)面。這里提(ti)(ti)到的(de)(de)(de)(de)(de)內容(rong)既適用(yong)于(yu)表(biao)(biao)面,也適用(yong)于(yu)界(jie)面,所以二者不嚴格區分(fen)(fen),除非特殊提(ti)(ti)及。

要擴大(da)一(yi)個一(yi)定體(ti)(ti)積的(de)液體(ti)(ti)的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian),那么需要向這個液體(ti)(ti)作功。表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)被定義為在擴大(da)一(yi)單位(wei)面(mian)(mian)積的(de)液體(ti)(ti)表(biao)(biao)面(mian)(mian)時(shi)所要作的(de)功,因此表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力(li)也可以被看作是表(biao)(biao)面(mian)(mian)能的(de)密(mi)度。

insect on water表面(mian)(mian)(mian)張力(li)是(shi)(shi)一(yi)種(zhong)物理(li)效應(ying),它使(shi)得液體的(de)表面(mian)(mian)(mian)總(zong)是(shi)(shi)試圖獲得最(zui)小(xiao)的(de)、光滑的(de)面(mian)(mian)(mian)積(ji),就(jiu)好(hao)像它是(shi)(shi)一(yi)層彈性的(de)薄膜一(yi)樣。其(qi)原(yuan)因是(shi)(shi)液體的(de)表面(mian)(mian)(mian)總(zong)是(shi)(shi)試圖達到能(neng)量最(zui)低的(de)狀態。由于(yu)球面(mian)(mian)(mian)是(shi)(shi)同樣體積(ji)下面(mian)(mian)(mian)積(ji)最(zui)小(xiao)的(de)幾何形狀,因此在沒有(you)外力(li)的(de)情況下(比如在失重(zhong)狀態下),液體在平衡狀態下總(zong)是(shi)(shi)呈球狀。

表(biao)面(mian)張力(li)的(de)(de)存在使得一(yi)表(biao)面(mian)/界面(mian)兩邊(bian)的(de)(de)壓力(li)不再(zai)相(xiang)同(tong),這一(yi)壓力(li)差的(de)(de)大小取決(jue)于界面(mian)張力(li)及(ji)屆面(mian)的(de)(de)曲率,可用楊-拉普(pu)拉斯(Young-Laplace)公式來描述(shu):

液體(ti)的(de)表面/界(jie)面張力可(ke)(ke)直(zhi)接測量(liang)。測量(liang)的(de)方法大多基于(yu)對表面/界(jie)面施加一外力,從而(er)引起其變化(hua),通過測量(liang)施加的(de)力和/或其變化(hua)的(de)程度,就(jiu)可(ke)(ke)計(ji)算(suan)出表面/界(jie)面張力的(de)值。

表面/界面張力的(de)測量(liang)方(fang)法可根(gen)據直(zhi)接測量(liang)的(de)物(wu)理量(liang)分為:

力(li)測量法

壓力測量法

界面形狀(zhuang)分析(xi)法

力測(ce)量法掛環法通常(chang)是運用(yong)一(yi)探針使其與待測(ce)的(de)(de)(de)界面(mian)接(jie)觸,然后通過一(yi)天平來測(ce)量施加/作用(yong)在(zai)(zai)探針上(shang)的(de)(de)(de)力。為了保證界面(mian)在(zai)(zai)探針表面(mian)上(shang)的(de)(de)(de)潤濕性,探針通常(chang)由金屬(如(ru)Platinum)制成(cheng)。常(chang)見的(de)(de)(de)方法有:

掛(gua)環法(Du Nouy Ring method):這(zhe)可(ke)能(neng)是測(ce)量(liang)表(biao)面(mian)/界(jie)面(mian)張力的(de)(de)(de)最(zui)經典(dian)方法,文(wen)獻上(shang)報道的(de)(de)(de)許多液體的(de)(de)(de)表(biao)/界(jie)面(mian)張力值是用(yong)這(zhe)一方法測(ce)得,它(ta)甚至可(ke)以在(zai)很難(nan)浸(jin)濕(shi)的(de)(de)(de)情況(kuang)下被(bei)使用(yong)。用(yong)一個(ge)初(chu)始(shi)浸(jin)在(zai)液體的(de)(de)(de)環從液體中拉出一個(ge)液體膜(類似肥(fei)皂(zao)泡),同(tong)時測(ce)量(liang)提高(gao)環的(de)(de)(de)高(gao)度時所(suo)需要施(shi)加的(de)(de)(de)力。

威廉米平板(ban)法威廉米平板(ban)法(Wilhelmy Plate method):這是(shi)(shi)一種很普遍的(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)方法,尤(you)其適(shi)用于長(chang)時間測(ce)(ce)量(liang)(liang)表面張(zhang)力的(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)。測(ce)(ce)量(liang)(liang)的(de)量(liang)(liang)是(shi)(shi)一塊垂(chui)直于液面的(de)平板(ban)在(zai)浸濕(shi)過(guo)程中(zhong)所受的(de)力。

其實(shi)也可(ke)以用其它幾(ji)何形(xing)狀的探(tan)針如圓棒,球等來(lai)代替平板,測量原理相同,被稱為(wei)改(gai)變威廉米平板法(Modified Wilhelmy Plate method)。

壓力測(ce)量法是(shi)通過(guo)測(ce)量界面兩(liang)邊(兩(liang)相)的(de)壓力差,然后運用上述的(de)楊(yang)-拉普拉斯(Young-Laplace)公式來計(ji)算表面張力。常見的(de)方法有:

毛(mao)(mao)細管(guan)升高(gao)法毛(mao)(mao)細管(guan)升高(gao)法:當液(ye)體(ti)與毛(mao)(mao)細管(guan)管(guan)壁間(jian)的(de)(de)(de)接觸(chu)角小于90度(du)時(浸潤的(de)(de)(de)),管(guan)內(nei)的(de)(de)(de)液(ye)面成凹(ao)面,彎曲的(de)(de)(de)液(ye)面對于下層(ceng)的(de)(de)(de)液(ye)體(ti)施(shi)加(jia)負壓力(li),導致液(ye)面在毛(mao)(mao)細管(guan)中上升,直到壓力(li)平衡為止(zhi)。通過測量(liang)液(ye)面升高(gao)的(de)(de)(de)高(gao)度(du),及已知毛(mao)(mao)細管(guan)內(nei)徑(jing)和液(ye)體(ti)與毛(mao)(mao)細管(guan)管(guan)壁間(jian)的(de)(de)(de)接觸(chu)角(通常默認為是(shi)0),就可計(ji)算出表面張力(li)。這是(shi)一很經典及直觀的(de)(de)(de)方法,所以經常被用來作為教(jiao)學(xue)示范(fan)和學(xue)生實(shi)驗。

最(zui)大(da)氣(qi)泡法:泡剛形(xing)(xing)(xing)成時(shi),由于表(biao)面(mian)幾乎是(shi)平(ping)的(de),所(suo)以曲率半(ban)徑(jing)R極大(da);當氣(qi)泡形(xing)(xing)(xing)成半(ban)球形(xing)(xing)(xing)時(shi),曲率半(ban)徑(jing)R等于毛細管(guan)(guan)半(ban)徑(jing)r,此時(shi)R值最(zui)小(xiao)。隨(sui)著氣(qi)泡的(de)進一步增大(da),R又趨(qu)增大(da),直至逸出液面(mian)。測得了氣(qi)泡成長過(guo)程中的(de)最(zui)高壓力差,在(zai)已知毛細管(guan)(guan)半(ban)徑(jing)的(de)情況下就能計算(suan)出表(biao)面(mian)張力。

本(ben)方法非常(chang)適用于測量表(biao)面(mian)張(zhang)力隨時間的(de)變化,所(suo)謂的(de)動態表(biao)面(mian)張(zhang)力。

界(jie)(jie)面(mian)形(xing)狀(zhuang)分(fen)(fen)析法是基于(yu)(yu)對一處于(yu)(yu)力平衡狀(zhuang)態(tai)的界(jie)(jie)面(mian)的形(xing)狀(zhuang)的分(fen)(fen)析,是一種光(guang)學分(fen)(fen)析法。

懸滴(di)法/座滴(di)法:適用于界面張(zhang)力(li)和表面張(zhang)力(li)的測(ce)量。也可以在非常高(gao)的壓力(li)和溫度下(xia)進(jin)行測(ce)量。測(ce)量液滴(di)的幾何(he)形狀。詳細描(miao)述參見這里。

旋轉滴法(fa):可用(yong)來測(ce)定表/界面張力,尤其適應于(yu)低(di)范圍(0.1mN/m以下)界面張力的(de)測(ce)量。測(ce)量的(de)值是一(yi)個處(chu)于(yu)比較密(mi)集的(de)物態狀態下旋轉的(de)液滴的(de)直(zhi)徑(jing)或總(zong)體幾何(he)形狀。

(液(ye)(ye)滴(di)(di))體積(ji)法(fa):非常適用于動(dong)態地測量(liang)表/界面張(zhang)力。測量(liang)的值是一定體積(ji)的液(ye)(ye)體分成的液(ye)(ye)滴(di)(di)數(shu)量(liang)。

液滴(di)(di)體(ti)積(ji)法(fa)其實是懸滴(di)(di)法(fa)的(de)一種(zhong)極端情況:懸滴(di)(di)的(de)體(ti)積(ji)增大到無法(fa)再由(you)表/界面(mian)張力來支撐,而導(dao)致表/界面(mian)撕裂而掉(diao)下(xia)。但掉(diao)下(xia)的(de)并不是整個液滴(di)(di)的(de)體(ti)積(ji),有部分剩留在毛(mao)細管(guan)(guan)/針管(guan)(guan)管(guan)(guan)端口上,這使得掉(diao)下(xia)的(de)液滴(di)(di)的(de)體(ti)積(ji)無法(fa)精確計算,需要加入(ru)經驗校正因子。