液体表面张力的动态测量

　　表面张力是表征液体表面性质的一个重要参数，它对表面物理研究、新材料研制和应用等方面有重要价值.表面张力的测量有多种方法，比较常用的有液滴法、气泡法、拉脱法(吊环吊片法)和激光散射法等.传统的拉脱法用焦利秤直接测量吊环(吊片)从液体中拉出所受的力，受到传统测力方法的局限，测量精度不够高.采用力敏传感器将拉力转变为电信号后，应用计算机数据采集系统，能完整记录吊环(吊片)从液体中拉出过程中拉力变化的全过程，对分析测量过程，准确测量表面张力和计算不确定度都有很大作用.

1.1表面张力和表面张力系数

　　本文介绍用测力传感器和计算机数据采集系统测量纯水表面张力的实验装置和测量结果.

　　液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力.产生表面张力的原因是液体表面的分子与内部的分子所受力是不同的.在液体内部的一个分子受到周围分子的作用力的合力为零;但在表面，由于上层窄间气体分子对其吸引力小于内部液体分子对其吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部.吊环(吊片)法测量液体的表面张力将周长为z的环

　　形细丝浸于液面下，然后加外力F将细丝垂直上拉，拉出液面时，液体表面积就会增加，细丝Z上受到使液体表面积收缩的力，即为表面张力.平衡时F=mg+厂，mg为细丝重量.表面张力与细丝的长度成正比，方向垂直细丝指向液体内部.即：

　　圆环内、外直径分别为D。、D。时，

　　系数盯定义为表面张力系数，单位N/m.它的大小与液体的性质、温度、液体中所含杂质有关。

　　实验中将金属环挂在测力传感器的挂钩上，浸没于液体中.然后渐渐拉起圆环，通过测力传感器测量将金属环拉出水面瞬间的最大拉力Fmax，由Fmax圆环自重mg和金属环直径求得液体的表面张力系数，

1.2用热力学函数表述表面张力

　　表面张力系数仃也可表示为增加单位表面积所做的功，单位为J/m2.把物质的液相、气相和界面作为一个系统，当系统发生一个微小的可逆过程时，每相内能的变化为

　　式中，U为内能;T为温度;S为熵值;μ为i物质的化学势;，ni为组成为i物质的摩尔数.W为逆过程所做的功.在体积和界面积有变化的情况下

　　式中p、V、A分别为压力、体积和表面积;σ为表面张力系数;σdA为表面张力作用下，表面积变化所用的功.负号表示在表面张力作用下，表面积有变小的趋势.

　　TS+声V表示如果势函数用吉布斯(Gibbs)自电能G=U—TS+pV表示

　　d表示在一定的条件下每单位表面积改变时系统自由能的变化量，这种变化量就是表面张力所做的功.

　　摘自《液体表面张力的动态测量过程研究》，清华大学物理系，作者：张连芳、傅敏学、柯伟平

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