表面张力的测量方法
英才学院 1236305 张雍淋 6121810519
液体表面张力测量在化学、医药、生物工程等领域具有重要意义， 根据液体表面张力的大小可以确定表面活性并计算表面活性剂在溶液表面的吸附量；在合金液体体系中，借助于表面张力还可以评价金相组织及孕育效果等重要参数。

目前，测量液体表面张力系数有毛细上升法、最大气泡压力法、液滴法等。

1. 毛细上升法
这个方法，研究的比较早，在理论和实际上都比较成熟。

如图 1所示，干净的毛细管浸入液体内部时，如果液体间的分子力小于液体与管壁间的附着力，则液体表面呈凹形。

此时表面张力产生的附加力为向上的拉力，并使毛细管内的液面上升, 直到液柱的重力与表面张 力相平衡。

图 1
212cos ()g r r gh πσθπρρ=-
1()2cos g ghr
ρρσθ-=
其中：σ—液体的表面张力；r-毛细管的内径；θ-接触角；
ρ
1ρ-液体和气体的密度；h-液柱的高度；g-当地的重力加速度。

在
和
g
实际应用中一般用透明的玻璃管，如果玻璃被液体完全润湿,可以近似的认为θ= 0。

毛细上升法是测定表面张力最准确的一种方法，国际上也一直用此方法测得的数据作为标准。

应用此方法时，要注意选择管径均匀, 透明干净的毛细管，并对毛细管直径进行仔细的标定；毛细管要经过仔细彻底的清洗，毛细管浸入液体时要与液面垂直。

2.最大气泡压力法
如图 2 所示，向插入液体的毛细管轻轻的吹入惰性气体(如
N
2等)。

如果选用的毛细管半径很小，在管口形成的气泡基本上是球形的。

并且当气泡为半球时，球的半径最小等于毛细管半径 r ；在其前后曲率半径都比r大，如图2 所示。

当气泡为半球时，泡内的压力最大，管内外最大压差可由差压计测量得到。

图2
由于毛细管口位于液面下一定位置，气泡内外最大压差P ∆应该等于差压计的读数减去毛细管端面液位静压值。

当气泡进一步长大,气泡内的压力逐渐减小直到气泡逸出。

利用最大压差和毛细管半径即可计算表面张力:
2r P σ∆=
此方法与接触角无关，装置简单，测定快速；经过适当的设计可以用于熔融金属和熔盐的表面张力测量。

气泡的生成速度以每秒钟一个为宜，如果选用管径较大，气泡不能近似为球形，则必须进行修正， 可以用标准液体对仪器常数进行标定。

3. 滴重法
如图 3 所示，对于液体从很细的管口中缓慢滴出的过程，液滴在表面张力的支撑下缓慢长大，当重量比表面张力稍大时，液滴就将落下来。

图 3
设管口的半径为 r , 落下的液滴质量为 m ，其表面张力为 σ ，
当地重力加速度为g ,加上对于模型的修正量，可得：
mg F r
σ= 其中F 为与r 有关的一个修正量，可以通过查表得到。

此方法不仅可以测量气-液界面张力，也可以测量液-液界面张力。

应用时常常用标准液体进行标定。

在实验过程中可以利用一个测微计使液滴缓慢生长，然后测定落下液滴的质量；并且此方法只能应用于液滴很小的情况。

4. 表面波法
存在于液体表面的波动称为表面波。

表面波非常常见，其波长从毫米(毛细波)到千米(潮涌波)，振幅从零点几毫米到几十米。

表面波的性质受到表面张力和重力的影响。

当表面波的波长比较大(λ> 1 0mm) 时，重力起主要作用；当表面波的波长比较小时(λ< 10mm )， 表面张力起主要作用。

由流体力学的知识可以知道:
232f λρσπ=
其中，f 是表面波的频率，λ是表面波的波长，ρ是液体密度。

这种方法测量时间短、自动化程度高，可以实现在线测量和用于实时监控的测量。

其表面张力的测量精度主要取决于波长和频率的测 量精度。

本文介绍了一些具有代表性的表面张力测量方法，并对其特点和
应用进行了分析。

从文中可以看到，随着电子以及激光技术的发展越来越多的电子和激光技术被引入了表面张力的测试中，这不但提高了测试的精度和自动化程度, 同时也大大拓宽了测量范围。

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