表面張力測量原理

液體(ti)表面張力有著一種(zhong)互相吸引的(de)傾向，當液體(ti)與水(shui)氣面（氣體(ti)）互相接觸時，而(er)兩者(zhe)之間產生的(de)面，便是(shi)所(suo)知(zhi)道的(de)“界面”。一個非常(chang)貼切(qie)的(de)例子是(shi)：一滴水(shui)自空(kong)氣中(zhong)落下(xia)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)球形(xing)狀態，是(shi)因為表面張力使它表面最小化而(er)成(cheng)的(de)體(ti)積。

表(biao)面張力產生的(de)(de)原因是液(ye)體(ti)(ti)跟(gen)氣體(ti)(ti)接觸的(de)(de)表(biao)面存(cun)(cun)在(zai)(zai)一個薄(bo)層，叫做表(biao)面層，表(biao)面層里的(de)(de)分子(zi)比液(ye)體(ti)(ti)內部稀疏，分子(zi)間(jian)(jian)的(de)(de)距離比液(ye)體(ti)(ti)內部大一些，分子(zi)間(jian)(jian)的(de)(de)相(xiang)互(hu)(hu)作用表(biao)現為(wei)引(yin)力。如同要把彈簧拉(la)開些，彈簧反而表(biao)現具有收縮(suo)的(de)(de)趨勢(shi)。正是因為(wei)這(zhe)種張力的(de)(de)存(cun)(cun)在(zai)(zai)，有些小(xiao)昆蟲才能(neng)無拘(ju)無束(shu)地(di)在(zai)(zai)水面上行走自如。分子(zi)在(zai)(zai)液(ye)體(ti)(ti)表(biao)面揮發出很強(qiang)的(de)(de)吸引(yin)力，互(hu)(hu)相(xiang)吸引(yin)在(zai)(zai)鄰近的(de)(de)分子(zi)，這(zhe)種合(he)力在(zai)(zai)每一單位長度的(de)(de)表(biao)面任何交點成垂(chui)直(zhi)線(xian)，便是所述的(de)(de)表(biao)面張力，它是以Dynes/cm為(wei)測量單位。

表面張(zhang)力測量方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)有電(dian)導法(fa)(fa)(fa)、表面張(zhang)力法(fa)(fa)(fa)、光(guang)散射法(fa)(fa)(fa)、染(ran)料法(fa)(fa)(fa)等，目前還有許(xu)多現代儀器方(fang)(fang)法(fa)(fa)(fa)測定CMC，如(ru)熒光(guang)光(guang)度法(fa)(fa)(fa)、核(he)磁(ci)共(gong)振法(fa)(fa)(fa)、導數光(guang)譜法(fa)(fa)(fa)等。我們以最大氣泡(pao)壓力法(fa)(fa)(fa)為(wei)例來(lai)說(shuo)明(ming)表面張(zhang)力的(de)測量原理。

最大氣泡壓力法

最(zui)大(da)氣(qi)(qi)泡壓力(li)法，氣(qi)(qi)泡在壓力(li)下出自不同直(zhi)徑的(de)兩支玻璃(li)管口，在液體里(li)最(zui)大(da)壓力(li)差產生的(de)氣(qi)(qi)泡直(zhi)接與表面(mian)張力(li)是(shi)成正比(bi)例(li)的(de)。表面(mian)活性劑內含的(de)活性分子(zi)的(de)表面(mian)張力(li)變化(hua)便需要用最(zui)大(da)氣(qi)(qi)泡壓力(li)法去(qu)測(ce)(ce)量。氣(qi)(qi)泡形(xing)成時，根據速度的(de)改變所得到的(de)數據，便可作為研究表面(mian)活性劑的(de)活躍分子(zi)擴(kuo)散時間，即是(shi)動態表面(mian)張力(li)測(ce)(ce)量方法。

表(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑(ji)的(de)(de)活(huo)躍分子，動態是它的(de)(de)特征(zheng)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力高，界面(mian)(mian)擴展時(shi)間(jian)(jian)便減少(shao)，限(xian)制了表(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑(ji)分子移往(wang)界面(mian)(mian)，因此(ci)便發現(xian)液體的(de)(de)測(ce)量尺度(du)可(ke)(ke)以是動態表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力或表(biao)(biao)面(mian)(mian)擴散(san)時(shi)間(jian)(jian)。而表(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑(ji)亦顯示了它的(de)(de)3個特征(zheng)，即表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力測(ce)量的(de)(de)同時(shi)可(ke)(ke)研究(jiu)表(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑(ji)濃度(du)功能，動態表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力和(he)界面(mian)(mian)擴散(san)時(shi)間(jian)(jian)。

表(biao)面(mian)張(zhang)力計可以(yi)從表(biao)面(mian)活性劑的(de)(de)動(dong)態曲線的(de)(de)任何(he)點做開(kai)始(shi)間(jian)歇或連(lian)續測(ce)量(liang)(liang)，而連(lian)續測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)功能是基(ji)于表(biao)面(mian)張(zhang)力的(de)(de)控制參數。在(zai)慢(man)速(su)度(du)的(de)(de)氣(qi)泡(pao)下，表(biao)面(mian)張(zhang)力擴散(san)時間(jian)大約等于氣(qi)泡(pao)速(su)度(du)，當(dang)氣(qi)泡(pao)速(su)度(du)增(zeng)加(jia)(jia)時，表(biao)面(mian)擴散(san)時間(jian)與(yu)氣(qi)泡(pao)速(su)度(du)即成反比例(li)的(de)(de)減少。如果氣(qi)泡(pao)速(su)度(du)很快增(zeng)加(jia)(jia)，氣(qi)泡(pao)便會連(lian)接一起，形(xing)成振蕩射流(liu)式（測(ce)量(liang)(liang)動(dong)態表(biao)面(mian)張(zhang)力），示波器的(de)(de)相關軟件程序可以(yi)準確(que)檢驗（核(he)實）氣(qi)泡(pao)分(fen)離和準確(que)讀出(chu)快速(su)氣(qi)泡(pao)的(de)(de)擴散(san)時間(jian)。

表面張力測量儀器——表面張力計

表面張力計是專業(ye)用(yong)于測(ce)(ce)量液體表面張力(li)值的專業(ye)測(ce)(ce)量儀(yi)(yi)器(qi)(qi)，包(bao)括氣(qi)(qi)泡(pao)發生單元(yuan)、壓(ya)力(li)感應單元(yuan)、溫度檢測(ce)(ce)單元(yuan)和顯示(shi)器(qi)(qi)。通過單片機控制微泵的氣(qi)(qi)體進出流量，避免額定功(gong)率(lv)的氣(qi)(qi)泵或玻(bo)璃裝置帶來的儀(yi)(yi)器(qi)(qi)或人為誤差(cha)，提高(gao)了測(ce)(ce)量的精密(mi)度，且(qie)操作簡單。

張力計結構

表面張力(li)計(ji)組(zu)成包括氣泡(pao)發(fa)生單(dan)元(yuan)(yuan)、壓(ya)力(li)感應(ying)單(dan)元(yuan)(yuan)、溫(wen)度檢測(ce)單(dan)元(yuan)(yuan)以及顯示器，如右圖，氣泡(pao)發(fa)生單(dan)元(yuan)(yuan)、壓(ya)力(li)感應(ying)單(dan)元(yuan)(yuan)、溫(wen)度檢測(ce)單(dan)元(yuan)(yuan)分別與(yu)顯示器相(xiang)連接，氣泡(pao)發(fa)生單(dan)元(yuan)(yuan)與(yu)壓(ya)力(li)感應(ying)單(dan)元(yuan)(yuan)連接。

氣(qi)泡發(fa)生單元(yuan)包括毛細(xi)(xi)管、微泵(beng)和diyi電子驅動(dong)控(kong)制(zhi)器，用于向液體表面輸出(chu)氣(qi)體產生氣(qi)泡；微泵(beng)上設有進氣(qi)口、出(chu)氣(qi)口和連接頭，毛細(xi)(xi)管的一端(duan)通(tong)過出(chu)氣(qi)口與微泵(beng)連接，diyi驅動(dong)控(kong)制(zhi)器與顯示器相連；

壓(ya)力感(gan)應單元(yuan)包括(kuo)壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)和第(di)二(er)電子驅動控制(zhi)器(qi)(qi)，用于檢測(ce)氣(qi)泡產生(sheng)的壓(ya)力；毛細(xi)管、出氣(qi)口和壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)通過三通相互(hu)連接，第(di)二(er)電子驅動器(qi)(qi)與壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)。顯(xian)示(shi)器(qi)(qi)連接；

溫(wen)度(du)檢(jian)(jian)測單元(yuan)包括溫(wen)度(du)檢(jian)(jian)測器和溫(wen)度(du)傳感棒，用于檢(jian)(jian)測液(ye)體(ti)的(de)溫(wen)度(du)；溫(wen)度(du)傳感棒一端與溫(wen)度(du)檢(jian)(jian)測器連(lian)(lian)接，另一端深入液(ye)體(ti)內部；溫(wen)度(du)檢(jian)(jian)測器與顯示器連(lian)(lian)接。

表面張力計算公式

F=б∫dl

б=△E/△A

 其中∫dl為液體(ti)表面邊(bian)界環路積分，б為表面張力系(xi)數(shu)，E為表面自由能。

表面張力一般是實驗(yan)測定的，除了做題的時候沒人會算這個(ge)，因為要算的話(hua)б要測定，l要測定，還不如直(zhi)接把(ba)F測出來完(wan)了…

結論

1、在實際(ji)測(ce)量表(biao)面張力(li)時(shi)，可(ke)以(yi)根據要求(qiu)的實驗精度(du)(du)(du)、溫度(du)(du)(du)壓力(li)和設備的實現難易程度(du)(du)(du)來選(xuan)(xuan)擇。當要求(qiu)精度(du)(du)(du)比(bi)較高時(shi)，可(ke)以(yi)采(cai)用毛細(xi)(xi)管上(shang)升法(fa)、最大(da)(da)氣(qi)泡(pao)壓力(li)法(fa)、DuNouy吊(diao)片法(fa)，否則可(ke)以(yi)選(xuan)(xuan)擇Wilhelmy吊(diao)環法(fa)、懸(xuan)滴(di)法(fa)或(huo)旋滴(di)法(fa)。當溫度(du)(du)(du)和壓力(li)比(bi)較高的時(shi)候，可(ke)以(yi)采(cai)用毛細(xi)(xi)管上(shang)升法(fa)、滴(di)體積法(fa)、旋滴(di)法(fa)、懸(xuan)滴(di)法(fa)、最大(da)(da)氣(qi)泡(pao)壓力(li)法(fa)和震蕩射流法(fa)進行(xing)測(ce)定。

2、當同時(shi)考察溫度、壓力(li)(li)和(he)氣氛對表面(mian)張(zhang)力(li)(li)的(de)影響(xiang)時(shi)，懸(xuan)滴(di)法是最有效的(de)方法之一。隨著CCD攝像技(ji)(ji)術(shu)和(he)計(ji)算機(ji)圖像采集處(chu)理技(ji)(ji)術(shu)的(de)發展，促進了滴(di)外形法的(de)發展，該技(ji)(ji)術(shu)不(bu)但可(ke)(ke)以(yi)研(yan)究(jiu)懸(xuan)滴(di)和(he)躺滴(di)，而且可(ke)(ke)以(yi)測(ce)(ce)定震(zhen)蕩泡壓；既可(ke)(ke)以(yi)遙控測(ce)(ce)定在(zai)模擬空間站(zhan)的(de)微重(zhong)力(li)(li)環境下(xia)的(de)張(zhang)力(li)(li)和(he)膨(peng)脹粘(zhan)度，又可(ke)(ke)以(yi)模擬地下(xia)溫度、壓力(li)(li)，測(ce)(ce)定油(you)一水界面(mian)張(zhang)力(li)(li)，可(ke)(ke)實(shi)現全自動測(ce)(ce)量，測(ce)(ce)量速度極快，排(pai)除人為因素的(de)影響(xiang)，數據客觀可(ke)(ke)靠。因此，應用軸稱(cheng)滴(di)形分析技(ji)(ji)術(shu)的(de)懸(xuan)滴(di)法必將在(zai)表面(mian)及界面(mian)科學研(yan)究(jiu)中發揮巨大的(de)作用。