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表面張力儀測試原理

點擊次數:5563 發布時間:2013-08-29

   ⒈ 什么是表面張力
   眾所周知,我們可以根據分子間的互相吸引力來解釋液體的性質.這種分子
間的吸引力就被稱之為分子內聚力或稱范德華力.而表面張力,界面張力以及相
類似的現象就是用來解釋分子內聚力的基本物理現象.
    具體來說,構成液體的分子在表面上所受的力與本體內的會不相同.在本體內的分子所受的力是對稱的,平衡的.而在表面上的分子,受本體內分子吸引而無反向的平衡力.這就是說,它受到的是拉入本體內的力.也就是說,力圖將表面積縮小,使這種不平衡的狀態趨向平衡狀態.熱力學的說法是:要將這體系的表面能降至zui小,這個力就稱為"表面張力",也說是單位面積上的自由能(J/m2),也就是形成或擴張單位面積的界面所需的zui低能量.它的數值和表面張力(N/m)一致.由于習慣,常用表面張力表示表面自由能,它對液體表面的物理化學現象起著至關重要的作用.在日常生活中,早晨荷葉上的露珠,杯子中的弧形水面等均為表面張力現象.表面張力液體表面分子
分子內聚力液體本體內分子
γL
θ
γSγSL 固體
液體
γS=γL cosθ+γSL Young equation
γS : 固體表面張力
γSL : 固/液表面張力
γL : 液體表面張力
θ : 接觸角
    ⒈ 白金板法
    當感測白金板浸入到被測液體后,白金板周圍就會受到表面張力的作用,液
體的表面張力會將白金板盡量地往下拉.當液體表面張力及其他相關的力與平衡力達到均衡時,感測白金板就會停止向液體內部浸入.這時候,儀器的平衡感應器就會測量浸入深度,并將它轉化為液體的表面張力值.具體測試過程中,白金板法的測試步驟為:(1)將白金板浸入液體內;(2)在浸入狀態下,由感應器感測平衡值;(3)將感應到的平衡值轉化為表面張力值,
并顯示出來. 


    表面張力平衡值
    1) 感測白金板的表面張力將遠大于液體的表面張力,以便于液體有效潤濕白金板及在板上爬升;
    2) 液體會在白金板周圍形成一個角度的弧形液面;
    3) 表面的分子力發生作用,并將白金板往下拉.As 湔鄶貅 液體樣品 液體樣品
    P = mg + Lγ cosθ - shρg
平衡力 = 白金板的重力 + 表面張力總和 - 白金板受到的浮力
(向上) (向下) (向上)
m : 白金板的重量
g : 重力(9.8N/ Kg)
L : 白金板的周長
γ: 液體的表面張力
θ: 液體與白金板間的接觸角
s : 白金板橫切面面積
h : 白金板浸入的深度
ρ: 液體的密度 
     硬件: 當白金板接觸到樣品液后,樣品液的表面張力會將白金板往下拉.傳感器通過平衡器感測到這個力,傳到CPU進行處理,. 
     軟件: 傳感器感測到的力傳到電腦CPU后,CPU通過一系列的計算,將這個力轉化成表面張力值..終端打印機頻譜儀樣品臺探測白金板平衡器傳感
    顯示和輸出裝置:電腦顯示器實時輸出表面張力值,可以將數據保存在硬盤中,同時也可連接
打印機,可立即列印出來..
    ⒈ 白金環法
由于被廣泛應用于du Nou表面張力儀,這種方法又稱為du Nouy法,并因
之操作簡便而被廣泛使用.白金環法這個稱法是因測試部分與液體樣品間會形成

馬達
CPU
2r
2R
P
其中
P : 作用于白金環向下的力
2r : 白金環(金屬絲)的直徑
2R: 白金環的內徑 (兩個金屬絲中心間的距離)
表面張力γ=F
R
P
π4
一個環形而得的.
白金環法的測量方法為:(1)將白金環輕輕地浸入液體內;(2)將白金環

慢地往上提升,即液面相對而言下降,使得白金環下面形成一個液柱,并zui終與
白金環分離.白金環法就是去感測一個zui高值,而這個zui高值形成于白金環與液
體樣品將離而未離時.這個zui高值轉化為表面張力值的精度取決于液體的粘度.
上面等式中的F是一個修正值,它的大小取決于環的直徑與液體的性質.
這個修正值很重要,因為向下的力并不一直是垂直的,而且隨白金環拉起來的液
體的狀況也很復雜.
一般而言,F值通過Zuidema & Waters等式計算得到:
C
R
P
R
b
aF+ =
ρππ4
14
)(
22
2
a : 0.7250
b : 0.09075 m-1s2
c : 0.04534 - 1.679 r/R
r : 白金金屬絲的半徑
R : 白金環的內徑(兩個金屬絲中心間的距離)
ρ : 液體的密度
    ⒈ 白金板與白金環法的比較
在相關測量設備研究并生產出來之前,用du Nouy白金環法測量表面張力已經有40
年的歷史了.相比較而言,Wilhelmy白金板法只有20年的歷史.但是,現在越來越多的人使用白金板法來測量表面張力.這主要是由于白金環法存在如下各種不足:不易測得高粘度樣品的表面張力值; 這主要是由于在白金環內側上方受到了樣品向下的阻力較大 
不易測得隨時間變化的表面張力值; 這主要是因為 白金環只能測得環離開液體時那個時間點的表面張力值.較難保持儀器的精度; 白金環容易變形,它的不同大小會影響到表面張力的測量.
    參考數據: (mN/m)
    油漆 含表面活性劑的溶液
    白金環法35.432.1
    白金板法31.328.8 
    油漆 將粘性物質置于環的上方, 然后進行測量 含表面活性劑的溶液 表面活性劑濃度較低,表面活性劑不停的分散.

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