液體表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

成 娟,李 玲,劉 科

（四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，四川 成都 610101）

液體表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

成 娟,李 玲,劉 科

（四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，四川 成都 610101）

為探究液體表面張力與液體濃度的關(guān)系，利用壓阻式力敏傳感器，采用拉脫法，測(cè)試室溫下水及不同濃度的蔗糖水、鹽水、酒精、肥皂水的表面張力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：蔗糖水和鹽水的表面張力系數(shù)隨濃度的增大而增加，而酒精、肥皂水的表面張力系數(shù)隨濃度的增大而減小。

表面張力系數(shù)；液體；液體濃度；關(guān)系

0 引 言

液體的表面張力是表征液體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，可用表面張力系數(shù)來(lái)描述。在工業(yè)技術(shù)上，如浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)等都要對(duì)表面張力進(jìn)行研究[1]。有文獻(xiàn)描述：液體所含雜質(zhì)越多，則表面張力系數(shù)越小[1-3]。本文用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)探究不同液體的表面張力系數(shù)與其濃度之間的關(guān)系。測(cè)量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是測(cè)量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一[2]。該方法采用秤量?jī)x器直接測(cè)量液體的表面張力，測(cè)量方法直觀，概念清楚。方法對(duì)測(cè)量力的儀器要求較高，用拉脫法測(cè)量液體表面的張力約在1×10-3～1×10-2N之間，因此需要有一種量程范圍較小，靈敏度高，且穩(wěn)定性好的測(cè)量力的儀器。近年來(lái)，新發(fā)展的硅壓阻式力敏傳感器張力測(cè)定儀正好能滿足測(cè)量液體表面張力的需要[4]，它比傳統(tǒng)的焦利秤、扭秤等靈敏度高，穩(wěn)定性好，且支持?jǐn)?shù)字信號(hào)顯示。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，硅壓阻式力敏傳感器張力測(cè)定儀測(cè)量液體與金屬相接觸的表面張力，采用薄金屬環(huán)作接觸體。在潔凈的培養(yǎng)皿中注入適當(dāng)?shù)拇郎y(cè)液體，然后把表面清潔的金屬環(huán)浸入液體中，保持金屬環(huán)水平，由升降臺(tái)控制液面使其緩慢下降，這時(shí)，金屬環(huán)和液面間形成環(huán)形液膜，金屬環(huán)受力情況如圖2所示。忽略液膜的質(zhì)量，金屬環(huán)的重力mg、拉力F1與液體的表面張力有如下關(guān)系：

環(huán)形液膜破裂瞬間，濕潤(rùn)角φ≈O，即cosφ≈1，液體表面張力f=π（D內(nèi)+D外）α，則拉力F1可表示為

當(dāng)金屬環(huán)拉脫水面后，此時(shí)拉力F2可以表示成：

根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）可以得到液體表面張力系數(shù)：

硅壓阻式力敏傳感器由彈性梁和貼在梁上的傳感器芯片組成，其中芯片由4個(gè)硅擴(kuò)散電阻集成非平衡電橋，當(dāng)外界壓力作用于金屬梁時(shí)，電橋失去平衡，此時(shí)將有電壓信號(hào)輸出，此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路和信號(hào)處理系統(tǒng)后變化的輸出電壓恰好與變化的拉力成正比[5-6]，設(shè)傳感器傳換系數(shù)為K（單位為N/mV），液膜拉斷前瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)為V1，液膜拉斷后數(shù)字電壓表讀數(shù)為V2，有F1-F2=（V1-V2）·K，則液體表面張力系數(shù)為

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

待測(cè)量有D內(nèi)、D外、K、V1和V2。首先測(cè)量D內(nèi)和D外，見表1。本實(shí)驗(yàn)選用吊環(huán)的內(nèi)、外徑在3～3.5cm之間，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明直徑為3.3cm左右吊環(huán)較合適。這是因?yàn)閳A環(huán)吊片的環(huán)直徑過(guò)小時(shí)，接觸角不為零；而直徑太大時(shí)吊環(huán)易晃動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)不平衡及局部先拉斷情況[7]。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 受力示意圖

表1 D內(nèi)、D外的值

需要先給力敏傳感器定標(biāo)，即測(cè)算出傳感器傳換系數(shù)K，從0mg開始每加一個(gè)500.00mg砝碼，讀取一個(gè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)（mV），測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

表2 測(cè)傳換系數(shù)K值數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，由等間距逐差法得ΔV=20.21mV，傳感器傳換系數(shù)成都地區(qū)的重力加速度g=9.7843N/kg，得到K=2.4249×10-4N/mV。

2 液體表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究

在室溫25℃下，先測(cè)量純凈水的表面張力系數(shù)。再利用物理天平和量筒調(diào)配出濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%和30%的蔗糖水，濃度分別為5%、10%、12%、15%、18%和20%的鹽水，濃度分別為10%、20%、30%、40%、50%和60%的酒精，濃度分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.8%和1.0%的肥皂水，然后分別測(cè)量它們的表面張力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表3。

表3 幾種液體不同濃度的表面張力系數(shù)（室溫25℃)

2.1 純凈水的表面張力系數(shù)分析

在室溫25℃下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得純凈水的表面張力系數(shù)為7.148×10-2N/m，而純凈水在25℃時(shí)的表面張力系數(shù)公認(rèn)值為7.201×10-2N/m，算出實(shí)驗(yàn)百分誤差僅為2.26%，在誤差允許范圍內(nèi)，說(shuō)明利用該設(shè)備測(cè)量表面張力系數(shù)，數(shù)據(jù)可靠。

2.2 不同濃度的蔗糖水和不同濃度的鹽水

對(duì)濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%和30%的蔗糖水和濃度分別為5%、10%、12%、15%、18%的20%的鹽水測(cè)得的表面張力系數(shù)值作圖，見圖3。

圖3 蔗糖水和鹽水溶液的表面張力系數(shù)與其濃度的關(guān)系

圖4 乙醇溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系

圖5 肥皂水溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系

根據(jù)圖3可以看出，在同一溫度下，蔗糖水溶液和鹽水溶液的表面張力系數(shù)均比純凈水的大；蔗糖水溶液濃度越高，其表面張力系數(shù)越大；鹽水溶液濃度越高，其表面張力系數(shù)也越大；相同濃度下，鹽水溶液的表面張力系數(shù)略高于蔗糖水。同時(shí)鹽水和蔗糖水溶液的表面張力系數(shù)與其濃度都近似成線性關(guān)系。鹽水溶液的測(cè)量結(jié)果與文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果一致。

2.3 不同濃度的酒精

圖4顯示了濃度分別為10%、20%、30%、40%、50%和60%的酒精的表面張力系數(shù)。

根據(jù)圖4可以看出，在同一溫度下，乙醇溶液的表面張力系數(shù)明顯低于純凈水的表面張力系數(shù)，乙醇溶液濃度越高，其表面張力系數(shù)越小。

2.4 不同濃度的肥皂水

圖5顯示的是濃度分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.8%和1.0%的肥皂水的表面張力系數(shù)。

根據(jù)圖5可以看出，在同一溫度下，肥皂水溶液的表面張力系數(shù)顯著低于純凈水的表面張力系數(shù)，肥皂水溶液濃度越高，其表面張力系數(shù)越小。肥皂水溶液為稀溶液時(shí)，表面張力系數(shù)隨濃度的增大減小迅速，其后則趨于平緩。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：在液體中加入雜質(zhì)時(shí)，其表面張力系數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，并不都是所含雜質(zhì)越多則表面張力系數(shù)越小。

（1）當(dāng)雜質(zhì)為蔗糖或鹽時(shí)，當(dāng)溶液的濃度增加時(shí)，其表面張力系數(shù)隨雜質(zhì)濃度增大而增大。

（2）雜質(zhì)為肥皂水或乙醇時(shí)，當(dāng)溶液的濃度增加時(shí)，其表面張力系數(shù)隨雜質(zhì)濃度增大而減小。特別的是當(dāng)肥皂水溶液很稀，其表面張力系數(shù)隨濃度的增加而急劇下降，隨后緩慢。

[1]潘學(xué)軍.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：88-89.

[2]岳小萍.醫(yī)學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2006：44-45.

[3]齊曉華.水中含有雜質(zhì)對(duì)其表面張力系數(shù)的影響分析[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（1）：28-31.

[4]陳駿逸，范偉民.用硅壓阻式力敏傳感器測(cè)量液體的表面張力系數(shù)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2002，21（6）：42-44.

[5]馬國(guó)利，馮偉偉.液體表面張力系數(shù)測(cè)量裝置的改進(jìn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2012，32（3）：25-27.

[6]朱露.乙醇水溶液表面張力系數(shù)的微觀機(jī)理[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31（11）：58-59.

[7]焦麗風(fēng)，陸申龍.用力敏傳感器測(cè)量液體表面張力系數(shù)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2002，22（7）：40-42.

[8]張鵬.海水表面張力的研究[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，25（4）：44-45.

Study on the relationship between liquid surface tension and concentration

CHENG Juan，LI Ling，LIU Ke
（College of Physics and Electronic Engineering，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，China）

In order to explore the relationship between the surface tension of the liquid and the liquid concentration， surface tension coefficient in water at room temperature， different concentrations of sugar water，salt water，alcohol，as well as soap water were measured by using a piezoresistive force sensor and the pull-out method.By analyzing experimental data，coefficient of surface tension of aqueous sucrose and salt water increases with increasing concentration，while coefficient of surface tension of alcohol，soap water decreased when the concentration increased.

liquid surface tension coefficient；liquid；liquid concentration；relationship

O359+.1；O6.331；O472+.2；O485

：A

：1674-5124（2014)03-0032-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.03.009

2013-07-15；

：2013-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（10847006）

成 娟（1974-），女，四川彭州市人，講師，碩士，主要從事物理學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。