表面張力測量原理

液體表面張力有著(zhù)一種互相吸引的傾向，當液體與水氣面（氣體）互相接觸時(shí)，而兩者之間產(chǎn)生的面，便是所知道的“界面”。一個(gè)非常貼切的例子是：一滴水自空氣中落下所形成的球形狀態(tài)，是因為表面張力使它表面最小化而成的體積。

表面張力產(chǎn)生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個(gè)薄層，叫做表面層，表面層里的分子比液體內部稀疏，分子間的距離比液體內部大一些，分子間的相互作用表現為引力。如同要把彈簧拉開(kāi)些，彈簧反而表現具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在，有些小昆蟲(chóng)才能無(wú)拘無(wú)束地在水面上行走自如。分子在液體表面揮發(fā)出很強的吸引力，互相吸引在鄰近的分子，這種合力在每一單位長(cháng)度的表面任何交點(diǎn)成垂直線(xiàn)，便是所述的表面張力，它是以Dynes/cm為測量單位。

表面張力測量方法有電導法、表面張力法、光散射法、染料法等，目前還有許多現代儀器方法測定CMC，如熒光光度法、核磁共振法、導數光譜法等。我們以最大氣泡壓力法為例來(lái)說(shuō)明表面張力的測量原理。

最大氣泡壓力法

最大氣泡壓力法，氣泡在壓力下出自不同直徑的兩支玻璃管口，在液體里最大壓力差產(chǎn)生的氣泡直接與表面張力是成正比例的。表面活性劑內含的活性分子的表面張力變化便需要用最大氣泡壓力法去測量。氣泡形成時(shí)，根據速度的改變所得到的數據，便可作為研究表面活性劑的活躍分子擴散時(shí)間，即是動(dòng)態(tài)表面張力測量方法。

表面活性劑的活躍分子，動(dòng)態(tài)是它的特征，表面張力高，界面擴展時(shí)間便減少，限制了表面活性劑分子移往界面，因此便發(fā)現液體的測量尺度可以是動(dòng)態(tài)表面張力或表面擴散時(shí)間。而表面活性劑亦顯示了它的3個(gè)特征，即表面張力測量的同時(shí)可研究表面活性劑濃度功能，動(dòng)態(tài)表面張力和界面擴散時(shí)間。

表面張力計可以從表面活性劑的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)的任何點(diǎn)做開(kāi)始間歇或連續測量，而連續測量的功能是基于表面張力的控制參數。在慢速度的氣泡下，表面張力擴散時(shí)間大約等于氣泡速度，當氣泡速度增加時(shí)，表面擴散時(shí)間與氣泡速度即成反比例的減少。如果氣泡速度很快增加，氣泡便會(huì )連接一起，形成振蕩射流式（測量動(dòng)態(tài)表面張力），示波器的相關(guān)軟件程序可以準確檢驗（核實(shí)）氣泡分離和準確讀出快速氣泡的擴散時(shí)間。

表面張力測量?jì)x器——表面張力計

表面張力計是專(zhuān)業(yè)用于測量液體表面張力值的專(zhuān)業(yè)測量?jì)x器，包括氣泡發(fā)生單元、壓力感應單元、溫度檢測單元和顯示器。通過(guò)單片機控制微泵的氣體進(jìn)出流量，避免額定功率的氣泵或玻璃裝置帶來(lái)的儀器或人為誤差，提高了測量的精密度，且操作簡(jiǎn)單。

張力計結構

表面張力計組成包括氣泡發(fā)生單元、壓力感應單元、溫度檢測單元以及顯示器，如右圖，氣泡發(fā)生單元、壓力感應單元、溫度檢測單元分別與顯示器相連接，氣泡發(fā)生單元與壓力感應單元連接。

氣泡發(fā)生單元包括毛細管、微泵和diyi電子驅動(dòng)控制器，用于向液體表面輸出氣體產(chǎn)生氣泡；微泵上設有進(jìn)氣口、出氣口和連接頭，毛細管的一端通過(guò)出氣口與微泵連接，diyi驅動(dòng)控制器與顯示器相連；

壓力感應單元包括壓力傳感器和第二電子驅動(dòng)控制器，用于檢測氣泡產(chǎn)生的壓力；毛細管、出氣口和壓力傳感器通過(guò)三通相互連接，第二電子驅動(dòng)器與壓力傳感器。顯示器連接；

溫度檢測單元包括溫度檢測器和溫度傳感棒，用于檢測液體的溫度；溫度傳感棒一端與溫度檢測器連接，另一端深入液體內部；溫度檢測器與顯示器連接。

表面張力計算公式

F=б∫dl

б=△E/△A

其中∫dl為液體表面邊界環(huán)路積分，б為表面張力系數，E為表面自由能。

表面張力一般是實(shí)驗測定的，除了做題的時(shí)候沒(méi)人會(huì )算這個(gè)，因為要算的話(huà)б要測定，l要測定，還不如直接把F測出來(lái)完了…

結論

1、在實(shí)際測量表面張力時(shí)，可以根據要求的實(shí)驗精度、溫度壓力和設備的實(shí)現難易程度來(lái)選擇。當要求精度比較高時(shí)，可以采用毛細管上升法、最大氣泡壓力法、DuNouy吊片法，否則可以選擇Wilhelmy吊環(huán)法、懸滴法或旋滴法。當溫度和壓力比較高的時(shí)候，可以采用毛細管上升法、滴體積法、旋滴法、懸滴法、最大氣泡壓力法和震蕩射流法進(jìn)行測定。

2、當同時(shí)考察溫度、壓力和氣氛對表面張力的影響時(shí)，懸滴法是最有效的方法之一。隨著(zhù)CCD攝像技術(shù)和計算機圖像采集處理技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了滴外形法的發(fā)展，該技術(shù)不但可以研究懸滴和躺滴，而且可以測定震蕩泡壓；既可以遙控測定在模擬空間站的微重力環(huán)境下的張力和膨脹粘度，又可以模擬地下溫度、壓力，測定油一水界面張力，可實(shí)現全自動(dòng)測量，測量速度極快，排除人為因素的影響，數據客觀(guān)可靠。因此，應用軸稱(chēng)滴形分析技術(shù)的懸滴法必將在表面及界面科學(xué)研究中發(fā)揮巨大的作用。