成 娟,李 玲,劉 科

（四川師范大學物理與電子工程學院，四川 成都 610101）

液體表面張力系數(shù)與濃度的關系實驗研究

成 娟,李 玲,劉 科

（四川師范大學物理與電子工程學院，四川 成都 610101）

為探究液體表面張力與液體濃度的關系，利用壓阻式力敏傳感器，采用拉脫法，測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)。實驗結果表明：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；關系

0 引 言

液體的表面張力是表征液體性質的一個重要參數(shù)，可用表面張力系數(shù)來描述。在工業(yè)技術上，如浮選技術和液體輸送技術等都要對表面張力進行研究[1]。有文獻描述：液體所含雜質越多，則表面張力系數(shù)越小[1-3]。本文用實驗的方法來探究不同液體的表面張力系數(shù)與其濃度之間的關系。測量液體的表面張力系數(shù)有多種方法，拉脫法是測量液體表面張力系數(shù)常用的方法之一[2]。該方法采用秤量儀器直接測量液體的表面張力，測量方法直觀，概念清楚。方法對測量力的儀器要求較高，用拉脫法測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)定性好的測量力的儀器。近年來，新發(fā)展的硅壓阻式力敏傳感器張力測定儀正好能滿足測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，且支持數(shù)字信號顯示。

1 實驗原理與方法

1.1 實驗原理

實驗裝置如圖1所示，硅壓阻式力敏傳感器張力測定儀測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?shù)拇郎y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，由升降臺控制液面使其緩慢下降，這時，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。忽略液膜的質量，金屬環(huán)的重力mg、拉力F1與液體的表面張力有如下關系：

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

當金屬環(huán)拉脫水面后，此時拉力F2可以表示成：

根據式（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個硅擴散電阻集成非平衡電橋，當外界壓力作用于金屬梁時，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，此信號經過放大電路和信號處理系統(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 實驗方法

待測量有D內、D外、K、V1和V2。首先測量D內和D外，見表1。本實驗選用吊環(huán)的內、外徑在3～3.5cm之間，經實驗證明直徑為3.3cm左右吊環(huán)較合適。這是因為圓環(huán)吊片的環(huán)直徑過小時，接觸角不為零；而直徑太大時吊環(huán)易晃動，會出現(xiàn)不平衡及局部先拉斷情況[7]。

圖1 實驗裝置

圖2 受力示意圖

表1 D內、D外的值

需要先給力敏傳感器定標，即測算出傳感器傳換系數(shù)K，從0mg開始每加一個500.00mg砝碼，讀取一個對應數(shù)據（mV），測量數(shù)據見表2。

表2 測傳換系數(shù)K值數(shù)據記錄

根據以上數(shù)據，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)與濃度的關系實驗研究

在室溫25℃下，先測量純凈水的表面張力系數(shù)。再利用物理天平和量筒調配出濃度分別為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，然后分別測量它們的表面張力系數(shù)。實驗測量數(shù)據見表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，實驗測得純凈水的表面張力系數(shù)為7.148×10-2N/m，而純凈水在25℃時的表面張力系數(shù)公認值為7.201×10-2N/m，算出實驗百分誤差僅為2.26%，在誤差允許范圍內，說明利用該設備測量表面張力系數(shù)，數(shù)據可靠。

2.2 不同濃度的蔗糖水和不同濃度的鹽水

對濃度分別為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)與其濃度的關系

圖4 乙醇溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關系

圖5 肥皂水溶液的表面張力系數(shù)與濃度的關系

根據圖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系。鹽水溶液的測量結果與文獻[8]的研究結果一致。

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，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 結束語

根據實驗研究，可以得出如下結論：在液體中加入雜質時，其表面張力系數(shù)會發(fā)生相應的變化，并不都是所含雜質越多則表面張力系數(shù)越小。

（1）當雜質為蔗糖或鹽時，當溶液的濃度增加時，其表面張力系數(shù)隨雜質濃度增大而增大。

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

[1]潘學軍.大學物理實驗[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：88-89.

[2]岳小萍.醫(yī)學物理學實驗[M].鄭州：鄭州大學出版社，2006：44-45.

[3]齊曉華.水中含有雜質對其表面張力系數(shù)的影響分析[J].渤海大學學報：自然科學版，2012，33（1）：28-31.

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

[5]馬國利，馮偉偉.液體表面張力系數(shù)測量裝置的改進[J].物理實驗，2012，32（3）：25-27.

[6]朱露.乙醇水溶液表面張力系數(shù)的微觀機理[J].實驗室研究與探索，2012，31（11）：58-59.

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

[8]張鵬.海水表面張力的研究[J].山西師范大學學報：自然科學版，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

國家自然科學基金項目（10847006）

成 娟（1974-），女，四川彭州市人，講師，碩士，主要從事物理學實驗教學與研究。