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如何測量純凈水和硅油、純凈水和乙酸乙酯間的界面張力

來源:物理實驗 瀏覽 1007 次 發(fā)布時間:2023-08-28

本文利用自制儀器對純凈水和硅油、純凈水和乙酸乙酯所形成的液-液界面張力進(jìn)行了動態(tài)測量。


圖1為自制2種液體間界面張力的動態(tài)實時測量裝置圖,該儀器主要包括電腦顯示器、同步信號轉(zhuǎn)換器、自制實驗架臺、力敏傳感器、金屬吊環(huán)、恒溫杯、溫度計、排液孔、排液管、流速調(diào)節(jié)器和儲液槽等組成.

圖1自制實驗儀器裝置圖


與傳統(tǒng)的表面張力測量儀器相比較,本實驗裝置有如下優(yōu)點:


1)通過同步信號轉(zhuǎn)換器將力敏傳感器測量的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并在電腦顯示器上實時直觀顯示,并通過嵌套軟件在計算機(jī)上實時記錄電壓值,繪制出電壓的變化曲線,代替人工記數(shù),從而減小實驗測量誤差.


2)通過從容器底部緩慢勻速排出液體的方式實現(xiàn)液體與金屬吊環(huán)之間的拉脫過程,在該過程中金屬吊環(huán)始終保持水平狀態(tài),其平穩(wěn)性好,避免了用手動調(diào)節(jié)金屬吊環(huán)位置變化而引起的測量誤差,提高了實驗精度.通過流速調(diào)節(jié)器可控制從容器底部緩慢勻速排出液體的流速,還可以用來探究液體流速對液-液界面張力的影響,從而找到測量的最佳實驗條件.


3)可以控制和檢測待測液體的溫度.在測量過程中為了控制待測液體的溫度,該裝置采用設(shè)置有溫度計的恒溫容器盛放待測液體,既可以讀取待測液體的溫度值,又能夠保持待測液體的溫度恒定,從而減小了溫度對實驗結(jié)果的影響.


動態(tài)測量方法


實驗過程:接通電源,將儀器預(yù)熱15min;在傳感器橫梁端頭的小鉤上掛砝碼盤并進(jìn)行定標(biāo);將金屬吊環(huán)清潔干凈,調(diào)平后掛在傳感器的小鉤上;實驗時,先將吊環(huán)置于密度較大的液體Ⅰ中,然后再注入密度較小的液體Ⅱ,調(diào)節(jié)流速調(diào)節(jié)器控制從容器底部緩慢勻速排出液體的流速,測量出電壓U隨時間t的變化曲線。圖2為純凈水和硅油的界面張力測量過程中電壓U隨時間t的變化曲線。

圖2電壓U隨時間變化曲線


實驗測量結(jié)果


實驗測量所用金屬吊環(huán)的外徑、內(nèi)徑分別為0.034 96 m和0.033 10 m.在20℃實驗條件下,采用自制2種液體間界面張力的動態(tài)實時測量儀,測量了純凈水-硅油和純凈水-乙酸乙酯間的界面張力.測量出金屬吊環(huán)由液體I中完全進(jìn)入液體Ⅱ的過程中,液體I的液膜被拉斷前電壓的最大值U1,拉斷后趨于穩(wěn)定時的電壓值為U2,數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 2種液體間界面張力的動態(tài)實時測量結(jié)果


計算出當(dāng)金屬吊環(huán)從純凈水到完全進(jìn)入硅油的過程中,定標(biāo)k=2.13 mV/N,拉斷液膜的力


f=ΔU/k=5.87×10-3N,


故通過該實驗裝置所測得的純凈水和硅油2種液體的界面張力:α=f/l=27.46×10-3N/m.


計算出當(dāng)金屬吊環(huán)從純凈水到完全進(jìn)入乙酸乙酯的過程中,定標(biāo)k=3.07 mV/N,拉斷液膜的力為


f=ΔU/k=1.50×10-3N,


故通過該實驗裝置所測得的純凈水和乙酸乙酯2種液體的界面張力:α=f/l=7.01×10-3N/m.


在20℃時,純凈水-乙酸乙酯間界面張力的標(biāo)準(zhǔn)值為α0=6.80×10-3N/m,對比實驗測量結(jié)果,計算出其相對偏差為3.09%。