表面張力是表征液體表面性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，它對表面物理研究、新材料研制和應(yīng)用等方面有重要價(jià)值.表面張力的測量有多種方法，比較常用的有液滴法、氣泡法、拉脫法(吊環(huán)吊片法)和激光散射法等.傳統(tǒng)的拉脫法用焦利秤直接測量吊環(huán)(吊片)從液體中拉出所受的力，受到傳統(tǒng)測力方法的局限，測量精度不夠高.采用力敏傳感器將拉力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，?yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能完整記錄吊環(huán)(吊片)從液體中拉出過程中拉力變化的全過程，對分析測量過程，準(zhǔn)確測量表面張力和計(jì)算不確定度都有很大作用.

1.1表面張力和表面張力系數(shù)

　　本文介紹用測力傳感器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量純水表面張力的實(shí)驗(yàn)裝置和測量結(jié)果.

　　液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力.產(chǎn)生表面張力的原因是液體表面的分子與內(nèi)部的分子所受力是不同的.在液體內(nèi)部的一個(gè)分子受到周圍分子的作用力的合力為零;但在表面，由于上層窄間氣體分子對其吸引力小于內(nèi)部液體分子對其吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部.吊環(huán)(吊片)法測量液體的表面張力將周長為z的環(huán)

　　形細(xì)絲浸于液面下，然后加外力F將細(xì)絲垂直上拉，拉出液面時(shí)，液體表面積就會(huì)增加，細(xì)絲Z上受到使液體表面積收縮的力，即為表面張力.平衡時(shí)F=mg+廠，mg為細(xì)絲重量.表面張力與細(xì)絲的長度成正比，方向垂直細(xì)絲指向液體內(nèi)部.即：

　　圓環(huán)內(nèi)、外直徑分別為D。、D。時(shí)，

　　系數(shù)盯定義為表面張力系數(shù)，單位N/m.它的大小與液體的性質(zhì)、溫度、液體中所含雜質(zhì)有關(guān)。

　　實(shí)驗(yàn)中將金屬環(huán)掛在測力傳感器的掛鉤上，浸沒于液體中.然后漸漸拉起圓環(huán)，通過測力傳感器測量將金屬環(huán)拉出水面瞬間的最大拉力Fmax，由Fmax圓環(huán)自重mg和金屬環(huán)直徑求得液體的表面張力系數(shù)，

1.2用熱力學(xué)函數(shù)表述表面張力

　　表面張力系數(shù)仃也可表示為增加單位表面積所做的功，單位為J/m2.把物質(zhì)的液相、氣相和界面作為一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一個(gè)微小的可逆過程時(shí)，每相內(nèi)能的變化為

　　式中，U為內(nèi)能;T為溫度;S為熵值;μ為i物質(zhì)的化學(xué)勢;，ni為組成為i物質(zhì)的摩爾數(shù).W為逆過程所做的功.在體積和界面積有變化的情況下

　　式中p、V、A分別為壓力、體積和表面積;σ為表面張力系數(shù);σdA為表面張力作用下，表面積變化所用的功.負(fù)號表示在表面張力作用下，表面積有變小的趨勢.

　　TS+聲V表示如果勢函數(shù)用吉布斯(Gibbs)自電能G=U—TS+pV表示

　　d表示在一定的條件下每單位表面積改變時(shí)系統(tǒng)自由能的變化量，這種變化量就是表面張力所做的功.

　　摘自《液體表面張力的動(dòng)態(tài)測量過程研究》，清華大學(xué)物理系，作者：張連芳、傅敏學(xué)、柯偉平

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