基本簡介
比例系數σ就是液體的表面張力系數,它表示液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。
單位是N/m。
廣義定義
熱力學對表面張力系數的廣義定義為:表面張力系數σ是在溫度T和壓力p不變的情況下吉布斯自由能G對面積S(圖中為A)的偏導數:
其中,吉布斯自由能的單位是能量單位,因此表面張力系數的單位是能量/面積。
影響因素
如果液體表面積增大ΔS,液體表面自由能增加ΔE,則表面張力系數σ等于增加單位表面積時,外力所需作的功,也可用下式表示σ=ΔE/ΔS。
這說明,表面張力系數σ在數值上等于增加單位表面積時所增加的表面能,在等溫條件下能轉變為機械能的表面内能部分,在熱力學中稱為表面自由能。從能的角度看,表面張力系數σ就是增加單位表面時所增加的表面自由能。液體表面張力系數的性質表現為:
- 液體不同表面張力系數不同。例如,密度小的,容易蒸發的液體表面張力系數小,如液氫和液氦;已熔化的金屬表面張力系數則很大;2.表面張力系數随溫度的升高而減小,近似地為一線性關系;3.表面張力系數的大小還與相鄰物質的化學性質有關;4.表面張力系數還與雜質有關,加入雜質可促使液體表面張力系數增大或減小。一般說來醇、酸、醛、酮等有機物質大都是表面活性物質,比水的表面張力系數小得多。例如,在鋼液結晶時,加入少量的硼,就是為了促使液态金屬加快結晶的速度。
與毛細現象
毛細現象中液體上升、下降高度。h的正負表示上升或下降。
浸潤液體上升,接觸角為銳角;不浸潤液體下降,接觸角為鈍角。
上升高度h=2*表面張力系數*cos接觸角/(液體密度*重力加速度g*毛細管半徑r)。
系數測量
使用環、片、張力表或毛細現象可以測量表面張力。
人們也可以對懸着的液滴進行光學分析和測量來确定液體的表面張力系數。
下面列舉了一些測量方法:
1.毛細管上升法:簡單,将毛細管插入液體中即可測量,雖然精确度可能不高。
2.挂環法:這是測量表面張力的經典方法,它甚至可以在很難浸濕的情況下被使用。用一個初始浸在液體的環從液體中拉出一個液體膜(類似肥皂泡),同時測量提高環的高度時所需要施加的力。
3.威廉米平闆法:這是一種萬能的測量方法,尤其适用于長時間測量表面張力。測量的量是一塊垂直于液面的平闆在浸濕過程中所受的力。
4.旋轉滴法:用來确定界面張力,尤其适應于張力低的或非常低的範圍内。測量的值是一個處于比較密集的物态狀态下旋轉的液滴的直徑。
5.懸滴法:适用于界面張力和表面張力的測量。也可以在非常高的壓力和溫度下進行測量。測量液滴的幾何形狀。
6.最大氣泡法:非常适用于測量表面張力随時間的變化。測量氣泡最高的壓力。
7.滴體積法:非常适用于動态地測量界面張力。測量的值是一定體積的液體分成的液滴數量。
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如果不小心沾到雨水,由于水的表面張力作用,螞蟻将陷入困境。水分子間的極性相互作用使得滴落的水滴呈球形,這也離不開表面張力的影響。表面張力使水面富有彈性,即使發生變形也不會破裂;表面張力還能增強水面的附着力,像流沙一樣将不幸落入水中的螞蟻吞噬。