液体表面张力系数的研究

液体表面张力系数的研究 摘要: 液体由于表面张力的作用而具有自发收缩成球状的趋势。表面张力的大 小,可用表面张力系数来描述。本文对影响表面张力系数的因素进行了概述。 关键词:表面张力;表面张力系数;影响因素 Abstract: Liquid as the role of surface tension into the ball with the trend of spontaneous contraction. The value of the surface tension can be described by the surface tension coefficient. In this paper, the factors affecting the surface tension coefficient are outlined. Keywords: surface tension,surface tension coefficient, influence factors 引言 英国物理学家托玛斯?杨自1805年第一次明确提出了表面张力之后，在两 个多世纪的漫长发月中，许多科学家研究了表面张力的问，表面张力在物理学 中是一个很特殊的问题，而且表面张力还涉及到化学和医学领域，当前有关表面 张力的研究是多方面的。研究内容有物理前沿中的问题，也有和日常生活经验相 [1][2]关的问题。而表面张力的大小又取决于表面张力系数，所以对表面张力系数 的理论和实验问题的研究是非常重要的。 表面张力是液体表面的重要特性，它 类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内。是液体表层内分 [ 3 - 4 ]子力作用的结果。影响表面张力系数的因素主要有二 :一是温度,温度越高 表面张力系数越小;二是在液体中加入杂质可显著改变表面张力系数。本文对影 响表面张力系数的因素进行了概述。 1、液体表面张力的概念 液体分子间隙较气体的小，分子相互作用较气体的强，宏观上和固体相似 不易压缩;液体分子运动较固体自由，宏观上和气体相似具有流动性，因液体的 分子聚集状态不同于固体和气体，就表现出许多宏观性质:表面张力现象，液体 对固体的润湿和不润湿现象，弯曲液面内外压强差，毛细现象，溶解、扩散、渗透现象等。 气体的分子间作用很小，不能维持一个自由表面;固体的分子间作用力很大，使得表面的分子虽受到不同于内部分子受到的力。液体的自由表面分子受到指向液体内部的力，由于液体的流动性，使得液体具有重要的表面力学性质。很多现象说明，液体的表面如紧张的弹性薄膜，有收缩的趋势。既然液体表面象紧张的弹性薄膜，则表面内一定存在着张力，在表面上想象地画一线段，如图1，线段两侧的液膜之间一定存在着相互作用的拉力，拉力的方向处处垂直于所画线段。液体表面上出现的这种张力叫表面张力。这种力在于液体的极薄的表面层内，不是由于弹性形变所引起的，是表面内分子力作用的结果。 图1表面张力 2液体表面张力系数 促使液体表面收缩的力叫做表面张力。即液体表面相邻两部分之间，单位长度内互相牵引的力。如液面被长度为L的直线分成两部分，这两部分之间的相互拉力F是垂直于直线L，并与表面相切。 比例系数σ就是液体的表面张力系数，它表示液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。 热力学对表面张力系数的广义定义为:表面张力系数σ是在温度T和压力p不变的情况下吉布斯自由能G对面积A的偏导数: 其中，吉布斯自由能的单位是能量单位，因此表面张力系数的单位是能量/面积。 3与液体表面张力系数有关的因素 3.1液体表面张力系数与温度的关系 [6]梅策香，王广平，柳钰等采用拉平法，测出了不同温度下表面张力系数。根据液体表面张力形成的微观机理, 从热力学角度进行了分析，同时进行了实验研究,得出如下结论:(1) 液体表面张力系数与温度呈近似线性关系，温度越高，表面张力系数越小。(2) 在纯净水中加入某些物质(如盐)可以增大其表面张力系数。(3) 盐水溶液的表面张力系数高于纯净水的表面张力系数，并且也随温度的增加而减小。(4)盐水溶液的表面张力系数与其浓度有关，并随浓度的增加而 [7]增加。J. Restolho, A.P. Serro等认为液体表面张力与分子间的相互作用势能以及液体界面的微观结构有关，在冰点和沸点之间的温度范围内，液体表面张 [8]力系数与温度的呈线性关系。Mohammad Hadi Ghatee等通过研究，也得出相类似的结论. 3.2液体表面张力系数与浓度的关系 在纯液体中加入杂质时，体系的表面张力会发生相应的变化，根据试验，稀溶液的表面张力和浓度的关系大致可分为3类，第一类的特征是浓度增加时，溶液的表面张力随之下降，大多数非离子型的有机物如短链脂肪酸、醇、醛类的水溶液都有此行为，第二类溶液的特征是，当液体的浓度增加时，溶液的表面张力随浓度上升，第三类的特征是，它与第一类曲线不同，当溶液很稀时，随浓度的增加而急剧下降， (C为密度)。随后大致不随浓度而变，(有时也可能会出现最低值，是由于、溶液中含有杂质之故)，当把表面活性物质加入到体系中时，则会被吸附在该体系的表面上，使这些表面的表面自由能明显降低，从而降低表面张力系数，表面活性物质的这种性质和其结构有关。J. Gracia-Fadrique, P. Brocos, Á. Pi ?neiro等利用平衡表面张力系数来计算 [9-11]无限稀释浓度系数(γ?)的表面活性剂，并提出了一个模型。 [12-17]3.3液体表面张力系数和液面上的介质的关系 当说某物质的表面张力系数时，一般是指液体与它的蒸汽相接触时的，实际上的数值不仅与液体的性质有关，而且还与第二介质的性质有关，因后者对形成垂直于表面的合力的大小起重要作用。当第二介质是低密度气体时，则不同的气体对液体的表面张力系数的数值影响很小，可以忽略。但当第二介质为另一种液体时，就不能忽略液体分子与第二介质分子之间的相互作用。由于这些相互作用，同一种液体与不同的第二介质相接触，表面张力系数就发生了明显的变化。加入杂质可促使液体表面张力系数增大或减小。一般说来醇、酸、醛、酮等有机物质大都是表面活性物质，比水的表面张力系数小得多。例如，在钢液结晶时，加入少量的硼，就是为了促使液态金属加快结晶的速度。 [18-22]3.4液体表面张力系数和物理化学的关系 表面张力是表面活性剂水溶液的一种重要的物理化学性质，而表面活性剂又是洗涤液的主要成分故表面张力系数与洗涤作用的关系必然有一定的规律，例大多数优良的洗涤剂溶液均具有较低的表面张力与界面张力，根据固体表面润湿的原理，对于一定的固体表面，较低表面张力系数的液体有较好的润湿性能，从而才可能进一步起洗涤作用，次外较低表面、界面张力有利于液体油污的清除，也有利于油污的乳化，因而有利于洗涤作用的发生，由此可见，表面张力系数与液体的种类有关，和成分有关，容易挥发的液体的表面张力系数较小。表面张力系数还与温度有关，温度升高表面张力系数减小，当液体趋近于临界温度时，表面不复存在，表面张力系数趋于零。表面张力系数还与表面所接触的物质有关， -2-1如水与空气为界时，水的表面张力系数为大约为7.3×10N?m而水与乙醚为界 -2-1时，水的表面张力系数为大约为1.22×10N?m。微量杂质还能显著改变液体的表面张力系数，例如在水中溶有少许肥皂就会使表面张力系数约为减小?(4.0 -2-1×10N?m)。 4结束语 近年来,液体表面特性的研究引起了广泛的重视,特别是具有活性媒质液体表面特性的研究在工农业生产中具有重要的地位。表面张力是液体表面的重要特 性，它类似于固体内部的拉伸应力，这种应力存在于极薄的表面层内。是液体表 层内分子力作用的结果。表面张力还涉及到化学和医学，当前有关表面张力的研 究是多方面的，研究内容有物理学前沿中的问题，也有常生活经验相关的问题。 液体表面张力的大小取决于液体表面张力系数，所以对液体表面张力系数的理论 研究非常重要。 参考文献 [1] 滕新荣. 表面物理化学[M]. 化学工业出版社，2009 [2] Schmitz J, Brillo J, Egry I (2009) Int J Mater Res 100:1529 [3]习岗,李伟昌. 现代农业和生物学中的物理学[M ]. 北京:科学出版社, 2002. 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