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液體表/界麵張力測量方法概述
來源:奈奈生 瀏覽 440 次 發布時間:2022-10-08
表麵張力是由物態內部的分子(或原子)間的相互吸引力導致的,拿液體為例,液體內部分子之間的吸引力一般比氣體中分子之間或氣體與液體之間的分子之間的吸引力要大。表麵張力的起因實際上是界麵所造成的不對稱,是一個位於表麵內的力。嚴格地說表麵是指液體與其本身的飽和蒸汽間形成的特殊相界麵,而界麵則是通指一液體與另一互不相如溶的液體(或流體)之間形成的相界麵。這裏提到的內容既適用於表麵,也適用於界麵,所以二者不嚴格區分,除非特殊提及。
要擴大一個一定體積的液體的表麵,那麽需要向這個液體作功。表麵張力被定義為在擴大一單位麵積的液體表麵時所要作的功,因此表麵張力也可以被看作是表麵能的密度。
insect on water表麵張力是一種物理效應,它使得液體的表麵總是試圖獲得最小的、光滑的麵積,就好像它是一層彈性的薄膜一樣。其原因是液體的表麵總是試圖達到能量最低的狀態。由於球麵是同樣體積下麵積最小的幾何形狀,因此在沒有外力的情況下(比如在失重狀態下),液體在平衡狀態下總是呈球狀。
表麵張力的存在使得一表麵/界麵兩邊的壓力不再相同,這一壓力差的大小取決於界麵張力及屆麵的曲率,可用楊-拉普拉斯(Young-Laplace)公式來描述:
液體的表麵/界麵張力可直接測量。測量的方法大多基於對表麵/界麵施加一外力,從而引起其變化,通過測量施加的力和/或其變化的程度,就可計算出表麵/界麵張力的值。
表麵/界麵張力的測量方法可根據直接測量的物理量分為:
力測量法
壓力測量法
界麵形狀分析法
力測量法掛環法通常是運用一探針使其與待測的界麵接觸,然後通過一天平來測量施加/作用在探針上的力。為了保證界麵在探針表麵上的潤濕性,探針通常由金屬(如Platinum)製成。常見的方法有:
掛環法(Du Nouy Ring method):這可能是測量表麵/界麵張力的最經典方法,文獻上報道的許多液體的表/界麵張力值是用這一方法測得,它甚至可以在很難浸濕的情況下被使用。用一個初始浸在液體的環從液體中拉出一個液體膜(類似肥皂泡),同時測量提高環的高度時所需要施加的力。
威廉米平板法威廉米平板法(Wilhelmy Plate method):這是一種很普遍的測量方法,尤其適用於長時間測量表麵張力的測量。測量的量是一塊垂直於液麵的平板在浸濕過程中所受的力。
其實也可以用其它幾何形狀的探針如圓棒,球等來代替平板,測量原理相同,被稱為改變威廉米平板法(Modified Wilhelmy Plate method)。
壓力測量法是通過測量界麵兩邊(兩相)的壓力差,然後運用上述的楊-拉普拉斯(Young-Laplace)公式來計算表麵張力。常見的方法有:
毛細管升高法毛細管升高法:當液體與毛細管管壁間的接觸角小於90度時(浸潤的),管內的液麵成凹麵,彎曲的液麵對於下層的液體施加負壓力,導致液麵在毛細管中上升,直到壓力平衡為止。通過測量液麵升高的高度,及已知毛細管內徑和液體與毛細管管壁間的接觸角(通常默認為是0),就可計算出表麵張力。這是一很經典及直觀的方法,所以經常被用來作為教學示範和學生實驗。
最大氣泡法:泡剛形成時,由於表麵幾乎是平的,所以曲率半徑R極大;當氣泡形成半球形時,曲率半徑R等於毛細管半徑r,此時R值最小。隨著氣泡的進一步增大,R又趨增大,直至逸出液麵。測得了氣泡成長過程中的最高壓力差,在已知毛細管半徑的情況下就能計算出表麵張力。
本方法非常適用於測量表麵張力隨時間的變化,所謂的動態表麵張力。
界麵形狀分析法是基於對一處於力平衡狀態的界麵的形狀的分析,是一種光學分析法。
懸滴法/座滴法:適用於界麵張力和表麵張力的測量。也可以在非常高的壓力和溫度下進行測量。測量液滴的幾何形狀。詳細描述參見這裏。
旋轉滴法:可用來測定表/界麵張力,尤其適應於低範圍(0.1mN/m以下)界麵張力的測量。測量的值是一個處於比較密集的物態狀態下旋轉的液滴的直徑或總體幾何形狀。
(液滴)體積法:非常適用於動態地測量表/界麵張力。測量的值是一定體積的液體分成的液滴數量。
液滴體積法其實是懸滴法的一種極端情況:懸滴的體積增大到無法再由表/界麵張力來支撐,而導致表/界麵撕裂而掉下。但掉下的並不是整個液滴的體積,有部分剩留在毛細管/針管管端口上,這使得掉下的液滴的體積無法精確計算,需要加入經驗校正因子。