表面張力原理及測(cè)定方法

液體表面一般表現(xiàn)出收縮基表面積的傾向，如呈橢球形的雨滴（重力場(chǎng)影響）、毛細(xì)管口的水滴、夏天早晨草上的露珠、玻璃板上的汞球，這是因?yàn)樵诘荣|(zhì)量（即等體積）的液體所呈現(xiàn)的各種形狀中，以球體的表面積zui小。

觀測(cè)表面張力zui典型的實(shí)驗(yàn)是皂膜實(shí)驗(yàn)。如ABCD為一金屬框架，CD為可動(dòng)邊，邊長(zhǎng)為L(zhǎng)。若剛從皂液中提起這個(gè)金屬框，可觀察到CD邊會(huì)自動(dòng)收縮。要維持CD邊不動(dòng)，則須施加一適當(dāng)外力f。可CD邊受到一個(gè)與力f大小相等、方向相反的力的作用。           f=r×2L         

式中，“2"是因?yàn)橐耗び泻穸?，有兩個(gè)面；r為比例系數(shù)，稱為表面張力系數(shù)，簡(jiǎn)稱表面張力。

表面張力是指在液面上（對(duì)彎曲液面是在液面的切面上）垂直作用于單位長(zhǎng)度上的是表面積收縮的力，單位為N·m^-1（牛頓·米^-1）或mN·m^-1（毫牛頓·米^-1）。

力有三要素：作用點(diǎn)、方向、大小。對(duì)表面張力，作用點(diǎn)是在表面上，若為彎曲面，則在切面上；使表面積收縮體現(xiàn)了方向；大小是單位長(zhǎng)度上的力。但要注意，對(duì)表面張力，作用點(diǎn)應(yīng)是作用線，它是作用在單位長(zhǎng)度上的力，實(shí)際上是二維空間的壓力的概念。

關(guān)于表面張力的方向，燒杯中的水，在其表面上任一位置取單位長(zhǎng)度，或取一個(gè)圓。由圖可見(jiàn)，平液面單位長(zhǎng)度的兩個(gè)方向都有表面張力，大小相等，方向相反，互相抵消；在平液面上任取一圓，其周圈上的切線取單位長(zhǎng)度，各個(gè)方向都有，且大小相等，合力也為零。管口上的液滴，重力G的作用使液滴表面積增加，而表面張力從相反方向使液滴表面積收縮，這是彎曲液面，該表面張力的方向在管口周圍的各個(gè)方向切面上。

表面張力測(cè)定方法：

威廉米吊片法

威廉米（Wilhelmy）吊片法比較簡(jiǎn)單，不需要校正，該方法是將一薄片鉑或云母或毛玻璃片懸掛在天平的一個(gè)臂上，使吊片恰好與被測(cè)液面接觸，測(cè)定吊片與液面脫離所需之力F。設(shè)吊片寬x，厚y，重w，若液體*潤(rùn)濕吊片，接觸角θ=0⁰，于是         F=2（x+y）Υ+w

Υ= 

 Du Noǖy吊環(huán)法

吊環(huán)法（Du Noǖy）是用天平的一臂或扭力絲設(shè)備（Du Noǖy表面張力計(jì)）將一鉑制的圓環(huán)平置在液面上，然后測(cè)定使環(huán)脫離表面所需的力F，F(xiàn)=W_總-W_環(huán)，W_環(huán)為環(huán)的重量。F與表面張力的關(guān)系為

Υ=×f         

式中，R是環(huán)的半徑；f是校正因子。為了保證接觸角為零，或接觸角固定不變，應(yīng)當(dāng)把鉑環(huán)置于強(qiáng)酸中認(rèn)真地清洗或經(jīng)過(guò)灼燒才能使用。開(kāi)始測(cè)試時(shí)，要讓平躺在靜止的液面上。如果是界面張力，則下層液體應(yīng)該對(duì)環(huán)有更好的潤(rùn)濕性。

校正因子f考慮了環(huán)在拉脫位置上所受到的非垂直方向的表面張力以及與接觸液體的復(fù)雜形狀的影響。大量實(shí)驗(yàn)表明，校正因子F是和的函數(shù)，其中V是圓環(huán)拉起的液體的體積，r是鉑絲的半徑。F值可由圖1-15查到，需要更的值，可查有關(guān)專著。