表面张力测量原理

液体表面张力有着一种互相吸引的倾向，当液体与水气面（气体）互相接触时，而两者之间产生的面，便是所知道的“界面”。一个非常贴切的例子是：一滴水自空气中落下所形成的球形状态，是因为表面张力使它表面最小化而成的体积。

表面张力产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层，叫做表面层，表面层里的分子比液体内部稀疏，分子间的距离比液体内部大一些，分子间的相互作用表现为引力。如同要把弹簧拉开些，弹簧反而表现具有收缩的趋势。正是因为这种张力的存在，有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。分子在液体表面挥发出很强的吸引力，互相吸引在邻近的分子，这种合力在每一单位长度的表面任何交点成垂直线，便是所述的表面张力，它是以Dynes/cm为测量单位。

表面张力测量方法有电导法、表面张力法、光散射法、染料法等，目前还有许多现代仪器方法测定CMC，如荧光光度法、核磁共振法、导数光谱法等。我们以最大气泡压力法为例来说明表面张力的测量原理。

最大气泡压力法

最大气泡压力法，气泡在压力下出自不同直径的两支玻璃管口，在液体里最大压力差产生的气泡直接与表面张力是成正比例的。表面活性剂内含的活性分子的表面张力变化便需要用最大气泡压力法去测量。气泡形成时，根据速度的改变所得到的数据，便可作为研究表面活性剂的活跃分子扩散时间，即是动态表面张力测量方法。

表面活性剂的活跃分子，动态是它的特征，表面张力高，界面扩展时间便减少，限制了表面活性剂分子移往界面，因此便发现液体的测量尺度可以是动态表面张力或表面扩散时间。而表面活性剂亦显示了它的3个特征，即表面张力测量的同时可研究表面活性剂浓度功能，动态表面张力和界面扩散时间。

表面张力计可以从表面活性剂的动态曲线的任何点做开始间歇或连续测量，而连续测量的功能是基于表面张力的控制参数。在慢速度的气泡下，表面张力扩散时间大约等于气泡速度，当气泡速度增加时，表面扩散时间与气泡速度即成反比例的减少。如果气泡速度很快增加，气泡便会连接一起，形成振荡射流式（测量动态表面张力），示波器的相关软件程序可以准确检验（核实）气泡分离和准确读出快速气泡的扩散时间。

表面张力测量仪器——表面张力计

表面张力计是专业用于测量液体表面张力值的专业测量仪器，包括气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元和显示器。通过单片机控制微泵的气体进出流量，避免额定功率的气泵或玻璃装置带来的仪器或人为误差，提高了测量的精密度，且操作简单。

张力计结构

表面张力计组成包括气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元以及显示器，如右图，气泡发生单元、压力感应单元、温度检测单元分别与显示器相连接，气泡发生单元与压力感应单元连接。

气泡发生单元包括毛细管、微泵和diyi电子驱动控制器，用于向液体表面输出气体产生气泡；微泵上设有进气口、出气口和连接头，毛细管的一端通过出气口与微泵连接，diyi驱动控制器与显示器相连；

压力感应单元包括压力传感器和第二电子驱动控制器，用于检测气泡产生的压力；毛细管、出气口和压力传感器通过三通相互连接，第二电子驱动器与压力传感器。显示器连接；

温度检测单元包括温度检测器和温度传感棒，用于检测液体的温度；温度传感棒一端与温度检测器连接，另一端深入液体内部；温度检测器与显示器连接。

表面张力计算公式

F=б∫dl

б=△E/△A

其中∫dl为液体表面边界环路积分，б为表面张力系数，E为表面自由能。

表面张力一般是实验测定的，除了做题的时候没人会算这个，因为要算的话б要测定，l要测定，还不如直接把F测出来完了…

结论

1、在实际测量表面张力时，可以根据要求的实验精度、温度压力和设备的实现难易程度来选择。当要求精度比较高时，可以采用毛细管上升法、最大气泡压力法、DuNouy吊片法，否则可以选择Wilhelmy吊环法、悬滴法或旋滴法。当温度和压力比较高的时候，可以采用毛细管上升法、滴体积法、旋滴法、悬滴法、最大气泡压力法和震荡射流法进行测定。

2、当同时考察温度、压力和气氛对表面张力的影响时，悬滴法是最有效的方法之一。随着CCD摄像技术和计算机图像采集处理技术的发展，促进了滴外形法的发展，该技术不但可以研究悬滴和躺滴，而且可以测定震荡泡压；既可以遥控测定在模拟空间站的微重力环境下的张力和膨胀粘度，又可以模拟地下温度、压力，测定油一水界面张力，可实现全自动测量，测量速度极快，排除人为因素的影响，数据客观可靠。因此，应用轴称滴形分析技术的悬滴法必将在表面及界面科学研究中发挥巨大的作用。