呂 雄 王昆林 劉 勇 袁宏生
(楚雄師范學(xué)院 云南 楚雄 675000)
液體的表面張力是液體的物理屬性的一個(gè)重要表征[1].它是由液體分子間內(nèi)聚力引起的,任何液體表面都受到表面張力的作用.液體的收縮、成膜等現(xiàn)象都是由于液體的表面張力而導(dǎo)致的,液體表面單位長(zhǎng)度上的表面張力稱為表面張力系數(shù).故而可用液體表面張力系數(shù)來(lái)表征液體的表面張力.
液體表面張力系數(shù)可用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)定,經(jīng)常用的有拉脫法、毛細(xì)管上升法、懸滴法、滴體積法等.其中毛細(xì)管上升法所需儀器簡(jiǎn)單,測(cè)定方法較為簡(jiǎn)便[2].
圖1 毛細(xì)管法原理圖
毛細(xì)管上升法基本原理見(jiàn)圖1,將毛細(xì)管插入可潤(rùn)溶液中時(shí),液體會(huì)由于毛細(xì)管中彎曲液面的附加壓強(qiáng)而上升,又由于表面張力的存在使液面收縮,管內(nèi)液體達(dá)到一個(gè)新的平衡位置,此時(shí),液面對(duì)液體所施加的向上的拉力與液體受到向下的力相等,則表面張力系數(shù)
式中h為液體在毛細(xì)管內(nèi)上升的高度,d為毛細(xì)管的內(nèi)直徑,ρ為液體的密度.用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出d和h就可得到液體的表面張力系數(shù)[3].
液體的表面張力系數(shù)由于某種需要是可以人為改變的,例如在純水中加入微量肥皂液或洗潔精,水的表面張力系數(shù)明顯減小.
液體成膜后由于表面張力的作用,有收縮的趨勢(shì),當(dāng)達(dá)到收縮極限時(shí)液膜破裂,若將成膜到膜破的這段時(shí)間稱為掛膜時(shí)間t,顯然t與液體表面張力系數(shù)σ有關(guān).而液體的表面張力系數(shù)與液體的溫度有關(guān),在同一溫度下,人為地改變液體的表面張力系數(shù),探究改變的可控性規(guī)律,再進(jìn)一步研究其掛膜時(shí)間t與表面張力系數(shù)σ之間的關(guān)系,是一項(xiàng)值得研究的工作.
采用在水中加洗潔精的方法,在等溫的情況下控制溶液的濃度,研究該溶液表面張力的變化情況及其規(guī)律.用銅絲制作數(shù)種形狀的膜架,將膜架浸入溶液中后輕輕拉起,使溶液在膜架上形成液體薄膜.探究掛膜時(shí)間t與溶液表面張力系數(shù)及膜架之間的關(guān)系.
在純水中加入微量的洗潔精,使其充分溶解,純水變成濃度極低的溶液,該溶液的表面張力系數(shù)將隨著溶液濃度的變化而變化.在同一室溫下,控制液體濃度,以0.025% 為基本步長(zhǎng),逐漸加大溶液濃度,用上所述毛細(xì)管上升法測(cè)定相應(yīng)的表面張力系數(shù)σ,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)表1,由表1的數(shù)據(jù)作出液體濃度 -表面張力系數(shù)關(guān)系圖線,如圖2所示.從圖線中總體可看出隨著溶液濃度的增大液體表面張力系數(shù)減小.在濃度為0.050% ~0.250% 之間時(shí)表面張力系數(shù)與濃度成線性關(guān)系,但減小較為緩慢;在0.025%~0.050%之間表面張力系數(shù)隨濃度的增加而減小較快,在濃度為0.050%形成奇點(diǎn).實(shí)驗(yàn)時(shí)溶液溫度為T=25.0℃.
表1 液體濃度、表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表
圖2 液體濃度 -表面張力系數(shù)關(guān)系圖線
從理論上來(lái)說(shuō),洗潔精是一種表面活性劑,加入水中溶解后,溶液的表面活性增大,分子間內(nèi)聚力減小,致使溶液表面張力系數(shù)減小.
用直徑?=1.0mm的細(xì)銅絲制作成正方形、正方體、三棱錐等各種膜架,如圖3所示.
圖3
制作一個(gè)封閉的空間,在其內(nèi)部將各種膜架分別全部浸入不同濃度的溶液中,慢慢拉起膜架,液體在膜架上形成各種形狀的薄膜,見(jiàn)圖4.液膜的形狀與膜架形狀有關(guān),但總的來(lái)說(shuō)液膜成形的形狀遵循表面自由能最小規(guī)律[4].從圖4中可看出膜架結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,所成的液膜越復(fù)雜.在白光下觀察,可看到液膜的等傾干涉彩色條紋,通過(guò)測(cè)量干涉條紋可得到液膜的厚度(此問(wèn)題的研究見(jiàn)另文).
圖4 各種膜架掛膜圖片
分別測(cè)量溶液在不同表面張力時(shí)各形狀膜架的掛膜時(shí)間t(液體成膜到膜破的時(shí)間段),得表2數(shù)據(jù)及圖5的圖線.
表2 各形狀膜架掛膜時(shí)間與溶液表面張力系數(shù)數(shù)據(jù)表
從表2數(shù)據(jù)和圖5圖線可看出掛膜時(shí)間t隨著溶液表面張力系數(shù)的減小而增大,但是由于膜架的不同,掛膜時(shí)間t減小的速率不同,其中正方形膜架的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單,掛膜時(shí)間隨表面張力系數(shù)的減小而增大最快,特別是在0.026 950~0.028 075N/m段,掛膜時(shí)間增加最快.而正六棱柱膜架所成液膜最為復(fù)雜,掛膜時(shí)間隨表面張力系數(shù)的減小而增大最慢.由此可見(jiàn)掛膜時(shí)間的長(zhǎng)短與液體表面張力、液體表面張力系數(shù)有直接的關(guān)系,還與膜架的復(fù)雜情況有關(guān),但主要的影響因素還是液體表面張力系數(shù).
圖5 各膜架掛膜時(shí)間與溶液表面張力系數(shù)關(guān)系圖線
本課題的實(shí)驗(yàn)研究較為復(fù)雜,溶液濃度的控制、掛膜時(shí)間的測(cè)量都不可能做到十分精準(zhǔn),溶液溫度的微小變化也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)有影響,要做到完全的等溫也不太可能,液膜在膜架上成膜的形狀也存在一定的偶然性,要經(jīng)多次試驗(yàn)才能成功.盡管實(shí)驗(yàn)在封閉的空間內(nèi)進(jìn)行,但空氣的流動(dòng)和擾動(dòng)對(duì)液膜掛膜時(shí)間也會(huì)有一定的影響.這些因素都給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)系統(tǒng)性和隨機(jī)性的誤差.但總的來(lái)說(shuō)盡量減小各種誤差因素,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后得到表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖2的圖線還是準(zhǔn)確地反映了液體表面張力系數(shù)和溶液濃度之間的關(guān)系;表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖5的圖線也顯示出了液膜在膜架上掛膜的時(shí)間與液體表面張力系數(shù)和膜架復(fù)雜程度之間的關(guān)系[5].
1 秦允豪.熱學(xué)(普通物理學(xué)教程第三版).北京:高等教育出版社,2011.315~324
2 趙群.液體表面張力系數(shù)測(cè)量方法比較研究.安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,4(2):44~47
3 李學(xué)慧.液體表面張力系數(shù)的測(cè)定.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2005(6):114~119
4 何冬姝.液體表面趨于最小的探討.物理教學(xué)探討,2010(2)(上半月):55~56
5 李會(huì)平,王昆林,等.音叉負(fù)載金屬環(huán)對(duì)其振動(dòng)頻率影響的實(shí)驗(yàn)研究.物理通報(bào),2014(5):85~87