表面張力

表面張力

液體表面任意二相鄰部分之間垂直于它們的單位長度分界線相互作用的拉力。表面張力的形成同處在液體表面薄層內的分子的特殊受力狀態密切相關。表面張力的存在形成了一系列日常生活中可以觀察到的特殊現象。

  • 中文名稱
    表面張力
  • 外文名稱
    surface tension

基本介紹

多相體系中相之間存在著介面(interface)。習慣上人們僅將氣-液,氣-固介面稱為表面(surface)。

表面張力

表面張力,是液體表面層由于分子引力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。將水分散成霧滴,即擴大其表面,有許多內部水分子移到表面,就必須克服這種力對體系做功——表面功。顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能(surface energy)。

相關資料

在293K下水的表面張力系數為72.75×10-3 N·m-1,乙醇為22.32×10-3 N·m-1正丁醇24.6×10-3N·m-1,而水-正丁醇(4.1‰)的介面張力為34×10-3 N·m-1

表面張力的測值通常有多種方法,目前實驗室及教科書中,通常採用的測試方法為最大氣泡壓法.由于其器材易得,操作方法相對易于學生理解表面張力的原理,因而長期以來是教學的必備方法.

作為表面張力測試儀器的測試方法,通常有白金板法(du Nouy method)\白金環法(Wilhelmy plate method)\懸滴法\滴體積法\最大氣泡壓法等.

詳細解釋

定義

①促使液體表面收縮的力叫做表面張力。

②液體表面相鄰兩部分之間,單位長度內互相牽引的力。

單位

表面張力的單位在SI製中為牛頓/米(N/m),但仍常用達因/釐米(dyn/cm),1dyn/cm = 1mN/m

說明

①表面張力的方向和液面相切,並和兩部分的分界線垂直,如果液面是平面,表面張力就在這個平面上。如果液面是曲面,表面張力就在這個曲面的切面上。

②表面張力是分子力的一種表現。它發生在液體和氣體接觸時的邊界部分。是由于表面層的液體分子處于特殊情況決定的。液體內部的分子和分子間幾乎是緊挨著的,分子間經常保持平衡距離,稍遠一些就相吸,稍近一些就相斥,這就決定了液體分子不像氣體分子那樣可以無限擴散,而隻能在平衡位置附近振動和旋轉。在液體表面附近的分子由于隻顯著受到液體內側分子的作用,受力不均,使速度較大的分子很容易沖出液面,成為蒸汽,結果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比內部分子分布來得稀疏。相對于液體內部分子的分布來說,它們處在特殊的情況中。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大而減小,在這個特殊層中分子間的引力作用佔優勢。因此,如果在液體表面上任意劃一條分界線MN把液面分成a、b兩部分。F表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力,F6表示右部分表面層中的分子對a部分的吸引力,這兩部分的力一定大小相等、方向相反。這種表面層中任何兩部分間的相互牽引力,促使了液體表面層具有收縮的趨勢,由于表面張力的作用,液體表面總是趨向于盡可能縮小,因此空氣中的小液滴往往呈圓球形狀。

③表面張力F的大小跟分界線MN的長度成正比。可寫成F=σLσ=F/L

比值σ叫做表面張力系數,它的單位常用dyn/cm。在數值上表面張力系數就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。

液膜表面張力系數=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/(2*所取線段長)。

表面張力系數與液體性質有關,與液面大小無關。

相關實驗

實驗一

這個實驗,也可以說是一個關于表面張力的小遊戲。先找一個朋友和你一起來進行這個遊戲,然後準備一杯水(把水加到杯子的邊緣處,目視水至杯口齊平處),16枚1元的硬幣(也可以更多)。然後是這個遊戲的規則,和朋友每人一次向杯子裏輪流投放硬幣,每次投放硬幣數沒有限製,可以一次放進1枚,可以2或3枚,或者更多,直到誰先把水溢出杯子為止。投放硬幣的時候用拇指和食指捏住硬幣輕輕的放進盛滿水的杯子。本人最多一次投放了82枚1元硬幣。其實這個實驗也可以放入回形針等較小的物品(即蘇教版物理初二上冊的實驗),起初回形針可能會浮在水面上,也可能會沉下去,但是在表面張力完好時杯中的水不會溢出,當表面張力小于回形針的作用力時,它就會被破壞,表現為水溢出。

實驗二

用孔紙片托水

材料:瓶子一個、大頭針一個、紙片一張,有色水一滿杯

操作:

1.在空瓶內盛滿有色水。

2.用大頭針在白紙上扎許多孔。

3.把有孔紙片蓋住瓶口。

4.用手壓著紙片,將瓶倒轉,使瓶口朝下。

5.將手輕輕移開,紙片紋絲不動地蓋住瓶口,而且水也未從孔中流出來。

講解

薄紙片能托起瓶中的水,是因為大氣壓強作用于紙片上,產生了向上的托力。小孔不會漏出水來,是因為水有表面張力,水在紙的表面形成水的薄膜,使水不會漏出來。這如同布做的雨傘,布雖然有很多小孔,仍然不會漏雨一樣。

部分液體或固體的表面張力/表面能資料:(25度)

理論純凈水(DI Water) 72 mN/m

碳氫類表面活性劑(Hydrocarbon surfactant) 約 35 mN/m

聚矽氧烷類表面活性劑(Silicon Surfactant) 約 25 mN/m

氟碳氫類表面活性劑(Fluorinate surfactant) 約 < 20 dynes/cm (0.01-0.1%)

環氧樹脂(Epoxy Resin) = 47 dynes/cm

聚酰胺類聚合物(Polyamide)(尼龍) = 46 dynes/cm

纖維素(Cellulose) = 45 dynes/cm

聚酯類聚合物(PET Polymer) 約 = 43 dynes/cm

聚氯乙烯類聚合物(Polyvinyl Chloride Polymer) 約 = 39 dynes/cm

聚丙烯酸酯類聚合物(Poly acrilic polymer) 約 = 35 dynes/cm

聚乙烯類聚合物(Poly stylene polymer) 約 = 33 dynes/cm

聚胺脂類聚合物(Poly urithane polymer) 約 = 30 dynes/cm

矽膠類聚合物(Silicon polymer) 約 = 24 dynes/cm

Teflon = 18 dynes/cm

(摘錄自美國杜邦化學資料,中譯或有錯誤,請網友指正。)

實驗三

準備一盆清水和一根綉花針,將針小心翼翼地,水準地,放在平靜的水面,針就會浮著啦。這是因為水分子緊緊地結合在一起,產生了表面張力,把針給“撐”了起來。拿起洗清液,往水裏一擠,針沉下去了,因為洗清液破壞了表面張力,所以針沉了。

實驗四

準備一根細長的木棍或牙簽,用小刀雕刻成獨木舟的樣子,在獨木舟的一端沾上一點洗發水,再將它放在一盆清水中,不用任何動力,獨木舟就自己走了起來。

這是因為在洗發水中含有表面活性劑,這些活性劑可以減弱水的表面張力,因此獨木舟上沾有洗發水一端周圍的水面張力減弱,而其另一端的張力不變,兩端的張力差形成了對獨木舟的推力,獨木舟自然就會自己前進了。

相關信息

表面張力在自然界

在自然界中,我們可以看到很多表面張力的現象和對張力的運用。比如,露水總是盡可能的呈球型(題圖),而某些昆蟲則利用表面張力可以漂浮在水面上。

​表面張力檢測

一、用BOPP單面膠帶進行剝離檢驗

將BOPP單面膠帶貼上在待測薄膜表面,壓緊,而後再撕開。如果薄膜的表面張力達到使用要求,那麽剝離時很用力,而且聲音小;相反則很容易剝離,並伴有"沙沙"聲。

二、利用達因測試筆進行測試

薄膜表面張力值符合要求時 (BOPP:3.8x10-2N/m,PET:5.0x10-2N/m,尼龍:5.2x10-2N/m),測試筆劃過的地方液痕均勻,無斷痕,不收縮;否則測試液將收縮。如果一部分收縮,一部分不收縮,說明處理得還不夠。

值得一提的是,檢測PET和尼龍時,需選用大一級的測試筆。表面張力測試筆的常用規格有:3.8×10-2N/m、4.0×10-2N/m、4.2×10-2N/m、4.4×10-2N/m、4.8×10-2N/m 5種(測鋁箔用)。

三、自行配製表面張力測試液

部分表面張力測試液配方見附表。測試方法是用棉球蘸少許測試液塗布在處理面,判斷方法與第2點大致相同。

處理後的薄膜不宜放置時間過長,最多放7天。時間越長,表面張力值降低越明顯。如果需要放置較長時間,則在處理薄膜時,表面張力初期值要提高(2~4)×10-2N/m。    

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