用力敏传感器测量乙醇水溶液的表面张力系数与浓度的关系

用力敏传感器测量乙醇水溶液的表面张力系数与浓度的关系 摘要：用硅压阻式力敏传感器测量了纯水、乙醇的表面张力系数，并测量了不同浓度的乙醇水溶液的表面张力系数随浓度的变化曲线。 引言 测量液体的表面张力常用拉脱法，但由于拉脱法中直接用称量仪器如约利弹簧秤、扭秤等测量微小的表面张力，由于仪器精度低，稳定性差，在拉动液膜时会产生较大误差。而硅式阻压力敏传感器张力测定仪的量程范围小，灵敏度高，稳定性好，且实现了数字信号显示，并可利用计算机实时测量，本文用力敏传感器对水、乙醇溶液的表面张力系数进行了测量，并测量了乙醇在不同浓度下的表面张力系数，得出了乙醇水溶液表面张力系数与浓度的函数关系曲线。 实验原理 实验装置如图1所示，硅压阻式力敏传感器张力测定仪测量液体与金属相接触的表面张力，采用薄金属环作接触体，传感器装有数字式电压表用来显示输出量。 在洁净的培养皿中注入适当的待测液体，然后把表面清洁的金属环浸入液体，保持金属环与液面垂直，由升降台控制液面使其缓慢下降，这时，金属环和液面间形成一环形液膜，在即将脱离时金属环受力情况如图2 所示。 由于整个过程升降台是缓慢下降的，所以可以认为是匀速运动，金属环处于平衡状态，临脱离液面时金属环的重力、拉力F、液体的表面张力有如下关系： (1) 1.立柱 2.力敏传感器 3.升降台 4.底座 5.金属圆环 6.大号培养皿 7.数字电压表 图1 实验装置 图2 受力示意图 金属环临脱离液面时，,即，F=F1， 这时近似得到 (2) 式中为金属环外径，为金属环内径，当金属环拉 脱水面后，，f=0，则 （3） 拉力作用于硅压阻式力敏传感器的弹性梁上，液膜拉断前瞬间数字电压表读数，液膜拉断后瞬间（f消失）数字电压表读数,他们之间的差值 （4） 或 （5） 式中K为测力计的灵敏度，单位为mV/N. 实验结果 力敏传感器定标 力敏传感器定标数据见表1，定标曲线见图3，泰安地区的重力加速度g=9.798m/ 表1 力敏传感器定标数据 图3 定标曲线 经过直线拟合后得出测力计的灵敏度K=3007.4mV/N,拟合的相关系数r=0.999998. 测量金属环的内径、外径 经测量得=3.491cm 液体表面张力系数的测量 测量结果见表2. 表2 5℃时纯水和乙醇样品的测量结果 由表2得纯水=75.10,N/m 3.4不同浓度下乙醇水溶液的表面张力系数 在调配浓度时采用质量比，现有浓度100％的乙醇，利用电子分析天平调配浓度，得到液体的表面张力系数后，绘制液体质量比R和此时的液体表面张力系数的函数关系图。 液体温度为5℃时，不同浓度乙醇水溶液的表面张力系数见表3，曲线见图4. 表3 不同浓度乙醇水溶液的表面张力系数测量数据 实验表明：乙醇水溶液的表面张力系数随质量比的改变而变化。由图4可知在同一温度下，乙醇的浓度增大，液体的表面张力系数趋于下降，但下降的速度逐渐平稳。 图4 曲线 讨论 由图4可知乙醇水溶液的表面张力系数和浓度的关系应该有.式中A，B为系数，C为浓度，为纯水的表面张力系数，纯水时C=0，，纯乙醇时，C=1,， 1-=23.27。图4所示曲线就是-c函数在c=0~1之间的曲线形式。得到溶液的液体表面张力系数随质量比（浓度）的变化曲线，有利于研究液体的物理、化学性质。 用硅压阻式力敏传感器测量液体与金属相接触的表面张力系数，误差在2％以下，本实验测量溶液在5℃时的表面张力系数，测量误差是0.27％，精确度非常高。 实验中注意金属环和培养皿的清洁及试剂的纯度。金属环不严格水平造成的误差不容忽视。文献[endnoteRef:1]分析金属环水平偏差1°会造成0.5％的误差；金属环水平偏差2°会造成1.6％的误差。 [1: ]