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如何测量纯净水和硅油、纯净水和乙酸乙酯间的界面张力

来源:物理实验 浏览 478 次 发布时间:2023-08-28

本文利用自制仪器对纯净水和硅油、纯净水和乙酸乙酯所形成的液-液界面张力进行了动态测量。


图1为自制2种液体间界面张力的动态实时测量装置图,该仪器主要包括电脑显示器、同步信号转换器、自制实验架台、力敏传感器、金属吊环、恒温杯、温度计、排液孔、排液管、流速调节器和储液槽等组成.

图1自制实验仪器装置图


与传统的表面张力测量仪器相比较,本实验装置有如下优点:


1)通过同步信号转换器将力敏传感器测量的电压信号转换为数字信号,并在电脑显示器上实时直观显示,并通过嵌套软件在计算机上实时记录电压值,绘制出电压的变化曲线,代替人工记数,从而减小实验测量误差.


2)通过从容器底部缓慢匀速排出液体的方式实现液体与金属吊环之间的拉脱过程,在该过程中金属吊环始终保持水平状态,其平稳性好,避免了用手动调节金属吊环位置变化而引起的测量误差,提高了实验精度.通过流速调节器可控制从容器底部缓慢匀速排出液体的流速,还可以用来探究液体流速对液-液界面张力的影响,从而找到测量的最佳实验条件.


3)可以控制和检测待测液体的温度.在测量过程中为了控制待测液体的温度,该装置采用设置有温度计的恒温容器盛放待测液体,既可以读取待测液体的温度值,又能够保持待测液体的温度恒定,从而减小了温度对实验结果的影响.


动态测量方法


实验过程:接通电源,将仪器预热15min;在传感器横梁端头的小钩上挂砝码盘并进行定标;将金属吊环清洁干净,调平后挂在传感器的小钩上;实验时,先将吊环置于密度较大的液体Ⅰ中,然后再注入密度较小的液体Ⅱ,调节流速调节器控制从容器底部缓慢匀速排出液体的流速,测量出电压U随时间t的变化曲线。图2为纯净水和硅油的界面张力测量过程中电压U随时间t的变化曲线。

图2电压U随时间变化曲线


实验测量结果


实验测量所用金属吊环的外径、内径分别为0.034 96 m和0.033 10 m.在20℃实验条件下,采用自制2种液体间界面张力的动态实时测量仪,测量了纯净水-硅油和纯净水-乙酸乙酯间的界面张力.测量出金属吊环由液体I中完全进入液体Ⅱ的过程中,液体I的液膜被拉断前电压的最大值U1,拉断后趋于稳定时的电压值为U2,数据结果如表1所示。

表1 2种液体间界面张力的动态实时测量结果


计算出当金属吊环从纯净水到完全进入硅油的过程中,定标k=2.13 mV/N,拉断液膜的力


f=ΔU/k=5.87×10-3N,


故通过该实验装置所测得的纯净水和硅油2种液体的界面张力:α=f/l=27.46×10-3N/m.


计算出当金属吊环从纯净水到完全进入乙酸乙酯的过程中,定标k=3.07 mV/N,拉断液膜的力为


f=ΔU/k=1.50×10-3N,


故通过该实验装置所测得的纯净水和乙酸乙酯2种液体的界面张力:α=f/l=7.01×10-3N/m.


在20℃时,纯净水-乙酸乙酯间界面张力的标准值为α0=6.80×10-3N/m,对比实验测量结果,计算出其相对偏差为3.09%。