大学物理实验表面张力系数测定1156209

【论文题目】

液体表面张力系数测定

【摘要】

在阐述液体表面张力现象的基础上，分析了液体表面张力系数及其影响因素，最后总结并比较了常用的测量液体表面张力系数的方法。

【引言】

在液体的表面以下厚度约为分子半径作用的区间称为表面层，表面层分子比液体内部分子具有较大的位能，在表面层内分子的内能称为液体的表面能。按照能量最小原理，液体分子有尽量挤入液体内部的趋势，以使液面缩小从而减小系统位能。由于液面的收缩倾向造成的沿着液面切向的收缩张力称为表面张力。表面张力系数是表征液体性质的一个参数，在表面物理、表面化学、医学等领域中具有重要的意义。

许多现象表明液体表面具有收缩到尽可能小的趋势，这是由于液体分子间存在相互作用力的宏观表现。从微观角度看，液体表面具有厚度为分子吸引力有效半径的表面层，处于表面层内的分子比液体内部的分子少了一部分能与之起吸引作用的分子，因此出现了一个指向液体内部的吸引力，使得这些分子具有向液体内部收缩的趋势。而从能量角度看，任何内部分子欲进入表面层就要克服这个吸引力而作功。显见，表面层有着比液体内部更大的势能（表面能），且液体表面积越大，表面能也越大。而任何体系总是以势能最小的状态最为稳定，所以液体要处于稳定状态，液面就必须缩小，以使其表面能尽可能小，宏观上就表现为液体表面层内的表面张力。

我们想象在液体表面画一条直线，表面张力的作用就表现为线段两边的液面以一定的拉力f相互作用，而力的方向与线段垂直，力的大小与该段直线的长度L成正比。即

f = αL

其中，比例系数α称为液体的表面张力系数，单位为N/m。当液体表面与其蒸汽或空气相接触时，表面张力仅与液体本身的性质及其温度有关。一般情况下，密度小、容易蒸发的液体，其α较小：而熔融金属的α则很大。对于同种液体，温度越高，其α越小。当液体与固体相接触时，不仅取决于液体自身的内聚力，而且取决于液体分子与其接触的固体分子之间的吸引力（称为附着力）。当附着力大于内聚力时，液体就会沿固体表面扩展，这种现象称为润湿。当附着力小于内聚力时，液体就不会在固体表面扩展，称为不润湿。润湿与不润湿取决于液体、固体的性质，如纯水能完全润湿干净的玻璃，但不能润湿石蜡水银不能润湿玻璃，却能润湿干净的铜、铁等。润湿性质与液体中杂质的含量、温度以及固体表面的清洁程度也具有密切关系，某些杂质能使α增大，而表面活性物质则能使α减小。

【实验仪器】

液体表面张力系数测定仪；

力敏传感器固定支架、升降台、底板及水平调节装置；

砝码盘及0. 5g砝码（7只）；

吊环：外径3.496cm、内径3.310cm、高0.850cm的铝合金吊环；

直径12.00cm玻璃器皿一套；

【实验步骤】

1、力敏传感器的定标：

（1）接通电源，将仪器预热；

（2）在传感器横梁端的小钩上挂上砝码盘，调节调零旋钮，使数字电压表示数为零（注意：调零后此旋钮不能再动）；

（3）在砝码盘中分别加入等质量0.500g的砝码，并记录在这些砝码力F的作用下，数字电压表的读数U；

（4）用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度K；

2、测乙醇的表面张力系数：

（1）将金属环吊片挂在传感器的小钩上，调节升降台将液体升至靠近金属环下沿，观察金属环下沿与待测液面是否平行。如果不平行，将金属环取下，调节环片上的细丝，使之与液面平行（偏差增加1度，测量误差将增加0.5%）；

（2）调节容器下的升降台，使环片下沿全部浸入待测液体中，然后反向匀速下降升降台，使金属环片与液面间形成一个环状液膜。继续下降液面，观察电压表读数，测量出液膜拉断前瞬间和拉断后电压值U1、U2记录在表格中；

（3）重复测量U1、U2各6次；

（4）将数据带入液体表面张力系数公式，求出待测液体在某温度下的表面张力系数，并对结果做出评价；

【实验数据记录和处理】

1.传感器灵敏度的测量

表一

重力加速度g=9.8m/s².

2.水的表面张力系数的测量

金属环外径D1=_3.496_ __cm,内径D2=__3.310 ___cm

水的温度：θ=__13___℃

表二（盐水）

平均值：α的平均值为__6.41_____N/m

表三（糖水）

平均值：α的平均值为__7.62_____N/m

表四（盐水5%）

平均值：α的平均值为__7.47____N/m

表五 (盐水 10%）

平均值：α的平均值为__7.61_____N/m

表六（盐水 15%）

平均值：α的平均值为__7.70__N/m

【实验分析】

本次试验中我们先是测定了盐水的表面张力系数,我们注意到外因素界对实验的影响:1.桌面要保证稳流动影响定,焦利称底座保证水平,无特殊气体影响,从而保证弹簧工作的自然性;2.∏形金属丝框不能做的很长(太长则难于平衡),使得被拉起的液膜和金属丝框重量相对表面张力过大,测量弹簧形变量偏小,误差难以避免;金属丝框对支点分布不对称,在拉液膜时易呈歪斜状态,同样造成误差;另外∏金属丝框下拉长度太小,对拉液膜的过程也有着显著影响,使得表面张力大小不能与下拉长度成简单正比,形成误差;3.金属丝框拉起时要保持水平,不能倾斜,而且动作要慢,要轻柔.不要使液膜过早破裂. 然后我们又使用控制变量法:1.改变液体,测量了盐水的表面张力系张力数，2.改变金属丝类型，用金属丝圆环代替∏形金属丝框测量盐水和糖水的表面张力系数，3.我们通过使用肥皂水,破坏了纯水的表面张力,测量了相应的液体表面张力系数。最后，我们对试验数据进行了精细的分析，计算出表面张力系数的不确定度和相对误差，得出的结果基本符合物理规律。试验中还要注意以下事项:1.测量表面张力时，动作要慢，还要防止仪器受增振动。2实验时要注意保护弹簧使其不受折损，不要随意拉长或挂重物，要轻拿轻放，切忌用力拉。3.∏型金属丝框和烧杯中的水必须保持洁净，不要用手触摸烧杯内侧和∏型金属丝，也不要用手触及水面。

【实验后的讨论以及涉想】

结论: (1) 在纯净水中加入某些物质（如盐）可以增大其表面张力系数。(2) 盐水溶液的表面张力系数高于纯净水的表面张力系数（3）盐水溶液的表面张力系数与其浓度有关，并随浓度的增加而增加。

在以上实验步骤的引导下，我们小组展开了对水的表面张力系数测量的扩展，对盐水和糖水的表面张力系数进行了测定。首先我们考虑了对表面张力系数的测量的影响因素。如果液体表面积增大ΔS，液体表面自由能增加ΔE，则表面张力系数σ等于增加单位表面积时，外力所需作的功，也可用下式表示σ=ΔE/ΔS。这说明，表面张力系数σ在数值上等于增加单位表面积时所增加的表面能，在等温条件下能转变为机械能的表面内能部分，在热力学中称为表面自由能。从能的角度看，表面张力系数σ就是增加单位表面时所增加的表面自由能。液体表面张力系数的性质表现为：1.液体不同表面张力系数不同。例如，密度小的，容易蒸发的液体表面张力系数小。2.表面张力系数随温度的升高而减小，近似地为一线性关系；3.表面张力系数的大小还与相邻物质的化学性质有关；4.表面张力系数还与杂质有关，加入杂质可促使液体表面张力系数增大或减小。例如，在钢液结晶时，加入少量的硼，就是为了促使液态金属加快结晶的速度。为了减少对盐水的测量系数的误差，要注意吊环与挂钩一定要垂直，用NAOH溶液冲洗净吊环，尽量保持液面水平不剧烈晃动。在加入盐水时应注意尽量避免杂质的进入。同时为了更准确的记录数据，要保证金属丝框抬起时要水平、不能倾斜，而且动作要慢、要轻柔。才能使液膜不过早破裂。在实验之前，若是没有给金属环清洁，会使测出来的值偏小。