用拉脫法測液體表面張力系數(shù)

,好象液體表面是一張拉緊了的橡皮膜一樣。

把這種沿著表面的、收縮液面的力稱為表面張力。

表面張力的存在能說明物質(zhì)處于液態(tài)時所特有的很多現(xiàn)象,比如泡沫的形成、潤濕和毛細(xì)現(xiàn)象等等。

在工業(yè)技術(shù)上,如礦物的浮選技術(shù)和液體輸送技術(shù)等方法都要對表面張力進(jìn)行討論。

測定液體表面張力的方法許多,常用的有拉脫法、毛細(xì)管法、最大氣泡壓力法等。

本試驗(yàn)采納拉脫法的是一種直接測定方法。

【試驗(yàn)?zāi)康摹?、焦利秤測量微小力的原理和方法。

2、了解液體表面的性質(zhì),測定液體的表面張力系數(shù)。

【試驗(yàn)原理】液體表面層其厚度等于分子的作用半徑,約10-8內(nèi)的分子所處的環(huán)境液體內(nèi)跟部的分子是不同的。

在液體內(nèi)部,每個分子四周都被同類的其他分子所包圍,它所受到的四周分子的作用力的合力為零。

由于液體上方的氣相層的分子數(shù)很少,表面層內(nèi)每一個分子受到的向上的引力比向下的引力小,合力不為零,這個合力垂直于液面并指向液體內(nèi)部,-1所示,所以分子有從液面擠入液體內(nèi)部的傾向,并使液體表面自然收縮,直處處于動態(tài)平衡,即在同一時間內(nèi)脫離液面擠入液體內(nèi)部的分子數(shù)和因熱運(yùn)動而到達(dá)液面的分子數(shù)相等時為止。

-1液體表面層和內(nèi)部分子受力示意圖將一表面干凈的矩形金屬絲框豎直地浸入水中,使其底邊保持水平,然后輕輕提起,-2所示的外形,即絲框上掛有一層水膜。

水膜的兩個表面沿著切線方向有作用力,稱為表面張力,φ為接觸角,當(dāng)緩緩拉出金屬絲框時,接觸角φ漸漸減小而趨向于零。

這時表面張力垂直向下,其大小與金屬絲框水平段的長度成正1比,故有2式中,比例系數(shù)稱為表面張力系數(shù),它在數(shù)值上等于單位長度上的表面張力。

在國際單位制中,的單位為-1。

表面張力系數(shù)與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)。

試驗(yàn)表明,液體的溫度越高,值越小;所含雜質(zhì)越多,值也越小。

因此,在測定值時,必需注明是在什么溫度下測定的,并且要非常留意被測液體的純度,測量工具金屬絲框、盛液器皿等應(yīng)清潔不沾污漬。

-2液體表面張力受力分析在金屬絲框緩慢拉出水面的過程中,金屬絲框下面將帶起一水膜,當(dāng)水膜剛被拉斷時,諸力的平衡條件是:2-1式中,為彈簧向上的拉力,為水膜被拉斷時金屬絲框的重力和所受浮力之差,為金屬絲框的長度,為金屬絲的直徑,水膜的即厚度,為水膜被拉斷時的高度,ρ為水的密度,為重力加速度,ρ為水膜的重量,由于金屬絲的直徑很小,所以這項(xiàng)值不大。

由于水膜有前后兩面,所以上式中的表面張力為2。

由-1式中解得:-22試驗(yàn)中先測出焦利秤的倔強(qiáng)系數(shù),然后用焦利秤測出和公式-2中-相對應(yīng)的彈簧伸長量Δ,則有:2-32-3式即為試驗(yàn)公式。

【試驗(yàn)儀器】焦利秤、金屬絲框、砝碼、玻璃皿、游標(biāo)卡尺。

一、焦利秤簡介焦利秤的構(gòu)造如圖-3所示,它實(shí)際上是一種用于測微小力的精細(xì)彈簧秤。

一金屬套管垂直直立在三角底座上,調(diào)整底座上的螺絲,可使金屬套管處于垂直狀態(tài)。

帶有毫米標(biāo)尺的圓柱套在金屬套管內(nèi)。

在金屬套管的上端固定有游標(biāo),圓柱頂端伸出的支臂上掛一錐形彈簧。

轉(zhuǎn)動旋鈕可使圓柱上下移動,因而也就調(diào)整了彈簧的升降。

彈簧上升或下降的距離由主尺圓柱和游標(biāo)來確定。

為固定在金屬套管上一側(cè)刻有刻線的玻璃圓筒,為掛在彈簧下端的兩頭帶鉤的小平面鏡,鏡面上有一刻線。

試驗(yàn)時,使玻璃圓筒上的刻線、小平面鏡上的刻線、上的刻線在小平面鏡中的象,三者始終重合,簡稱“三線對齊”。

用這種方法可保證彈簧下端的位置是固定的,彈簧的伸長量可由主尺和游標(biāo)定出來即伸長前后兩次讀數(shù)之差值,一般的彈簧秤都是彈簧秤上端固定,在下端加立柱毫米標(biāo)尺游標(biāo)彈簧負(fù)載后向下伸長,而焦利秤與之相反,它是控立柱升降旋鈕砝碼盤玻璃圓筒制彈簧下端的位置保持肯定,加負(fù)載后向上拉平臺平面反射鏡平臺升降旋鈕動彈簧確定伸長值。

為一平臺,轉(zhuǎn)動其下端的螺釘時平臺可升降但不轉(zhuǎn)動。

為秤盤。

圖-3焦利秤設(shè)在力作用下彈簧伸長Δ,依據(jù)虎克定律可知,在彈性限度內(nèi),彈簧的伸長量Δ與所加的外力成正比,即式中是彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。

對于一個特定的彈簧,值是肯定的。

假如將已知重量的砝碼加在砝碼盤中,測出彈簧的伸長量,由上式即可計(jì)算該彈簧的值。

這一步驟稱為焦利秤的校準(zhǔn)。

焦利秤校準(zhǔn)后,只要測出彈簧的伸長量,就可計(jì)算出作用于彈簧上的外力。

3【試驗(yàn)內(nèi)容】1、測量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。

將彈簧、砝碼盤掛在焦利秤上,調(diào)整三角底座上的螺釘,使小鏡穿過玻璃圓筒的中心,這時彈簧將與金屬套管平行。

在秤盤上加1克砝碼,轉(zhuǎn)動旋鈕使彈簧上升,直至“三線對齊”為止。

這時讀出游標(biāo)零線所指示的毫米標(biāo)尺上的讀數(shù)。

,調(diào)整一次旋鈕使“三0線對齊”,再登記上的讀數(shù),。

之后遞減砝碼,,調(diào)整一次旋鈕使“三線對齊”,登記上的讀數(shù),直至1克砝碼。

將所記數(shù)據(jù)填入表格,用逐差法處理數(shù)據(jù),求出倔強(qiáng)系數(shù)值。

2、測量液體的表面張力系數(shù)。

將待測液體倒入洗凈干燥的燒杯中,置于平臺上,并將金屬絲框懸掛于砝碼盤下端的小鉤上,使金屬絲框完全浸入中,調(diào)整旋鈕水使“三線對齊”。

調(diào)整時要保證金屬絲框始終處于面以下。

水轉(zhuǎn)動平臺下端的旋鈕使平臺略微下降一點(diǎn),然后調(diào)整旋鈕重新使“三線對齊”,重復(fù)上述調(diào)整,當(dāng)金屬框剛好到達(dá)水面時,登記旋鈕的位置。

使平臺連續(xù)下降一1點(diǎn),然后調(diào)整旋鈕使“三線對齊”,不斷重復(fù)該步驟,金屬絲框?qū)u漸露出液面,并在表面張力的作用下帶起一液膜,直到液膜被破壞時為止。

登記液膜被破壞時毫米標(biāo)尺上的讀數(shù)和旋鈕的位置,如圖-4所示。

-4測量表面張力系數(shù)示意圖4用吸水紙將金屬絲框上的小水珠輕輕地吸去,轉(zhuǎn)動升降旋鈕使金屬絲框緩緩下降,直到“三線對齊”,讀出毫米標(biāo)尺上的讀數(shù),則公式2中的。

212將步驟2重復(fù)5次。

3、用游標(biāo)卡尺測金屬絲框的長度和直徑各一次。

4、求值,測量過程中和之差即為水膜的高度,=-。

12125、用溫度計(jì)測出試驗(yàn)時的水溫。

留意事項(xiàng):1、焦利秤中使用的彈簧是精密易損元件,要輕拿輕放,切忌用力拉。

2、試驗(yàn)時動作必需認(rèn)真、緩慢。

平臺一次只能下降一點(diǎn),假如動作鹵莽,會使液膜過早裂開,帶來較大差。

誤3、每次試驗(yàn)前要用氫氧化鈉溶液清洗玻璃杯和金屬絲框,然后用干凈水沖洗多次才能使用。

試驗(yàn)結(jié)束后用吸水紙將金屬絲框表面擦干,以免銹蝕。

【數(shù)據(jù)處理】1、求彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。

表4—37測彈簧倔強(qiáng)系數(shù)測量次數(shù)012345砝碼重量減重讀數(shù)’平均值3123022的類不確定度重量0=3311的類不確定度重量,,=3儀儀5合成不確定度223計(jì)算倔強(qiáng)系數(shù)-1,2-1-12、測定液體的表面張力系數(shù)。

表4—38測定表面張力系數(shù)測量次數(shù)12345212平均值12=-12平均值42的類不確定度重量=05511的類不確定度重量,,=3儀儀合成不確定度222金屬絲框長度=,金屬絲直徑=計(jì)算表面張力系數(shù)2-1由于水膜的重量特別小,在的計(jì)算中不考慮、和的不確定度重量。

22-1226測量結(jié)果-1【預(yù)思索題】