实验3 表面张力测试
表面张力是物体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，处于物体表面层的分子较为稀薄，其分子间距较大，物体分子之间的引力大于斥力，合力表现为平行于物体界面的引力。界面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两项物质的性质有关。目前，测量表面张力的方法主要有：最大压力气泡法、毛细管上升法、挂环法、滴重法、挂片法等。本实验采用接触角测量法测出表面接触角，然后间接计算出其界面张力。
【一】实验目的
1. 了解各界面张力及液体在固体表面上粘附功的物理意义。
2. 掌握接触角测量仪的使用方法。
【二】实验仪器
1. Ramé-hart 公司生产的Model p/n 250-F1型接触角测量仪
2. 玻璃、树脂等待测样品
【三】实验基本原理
早在200多年以前，英国物理学家 Thomas Young提出了著名的杨氏方程，成为研究固体表面润湿行为的理论基础，也为超疏水表面理论模型的建立打下了基础。Young认为，当液滴在组成均一、表面光滑且无限平坦的理想刚性固体表面上稳定存在的时候，固、液、气三相界面间的表面张力达到平衡状态，并与液滴在固体表面上的接触角满足如下方程：
γsl = γsv − γlvcosθY (1)
图1 Young模型
式中θY是Young模型中的平衡接触角，也是固体表面的本征接触角(Intrinsic Angle），γsv、γsl、γlv分别是固-气、固-液、气-液界面之间的张力(如图1所示)。在γsv和γlv已知的条件下，通过测量平衡接触角θY，可以计算出固-液界面张力γsl。
表1 不同温度下纯净水γlv的表面张力
温度(℃)
表面能γlv (mN/m) 0 7.56 5 7.49 10 7.42 15 7.35 20 7.28 25 7.20 27 7. 18 30 0.07118
注：其它温度可以根据Harkins的经验公式来估计纯净水的表面能（表面张力）：
γlv=75.796－0.145t－0.00024t2
式中t为摄氏温度，表面张力单位为mN/m。这个公式在10-60℃时适用。
若设固-液接触面积为单位面积，在恒温恒压下，此过程引起体系自由能的变化是：
∆G= γsl−γsv− γlv (2)
式中γsl ，γsv ，γlv分别为单位面积固-液、固-气和液-气的界面自由能。沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，粘附功的定义表示为：
Wa= γsv−γlv− γsl (3)
又有Young方程(1)和(3)式得：
Wa= γlv(1+cosθY) (4)
【四】实验内容
1. 校准样品台的水平，将装有测试液体的微量注射器安装在夹具上；
2. 测试开始前先将镜筒前的保护盖取下，依次打开照明系统光源、显示器、电脑主
机、启动WindowsXP界面，然后启动DROP image程序，运行测试软件，选择所需要的测试方法，输入适当的各实验参数，按确定，系统进入照片采集画面；
3. 将样品放在平台上，调节各旋钮使样品处于视窗中央，用视窗内十字线的水平线
与试样边缘线进行比对，微调校准测试样品表面的水平；
4. 调节注射器针头与样品的距离并滴液于样品上，调节底座与镜筒距离以改变焦距，
同时调节光源的强度使液滴处于最佳显示状态；
5. 鼠标拖动视窗内的十字线，使水平线重合液固接触线，竖直线左右平分液滴，按开始；
6. 测试完后保存相应的数据和图片，同一个样品上取5个不同的点进行测量，取接触角的
平均值；
7. 根据表1提供的不同温度下纯净水的表面张力数据，将测得的接触角代入方程式(4)，计
算出粘附功Wa。
【五】讨论题
1. 本实验引起系统误差和偶然误差的原因有哪些？
2. 温度、湿度对实验结果有什么影响？
实验3 表面张力测试
表面张力是物体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，处于物体表面层的分子较为稀薄，其分子间距较大，物体分子之间的引力大于斥力，合力表现为平行于物体界面的引力。界面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两项物质的性质有关。目前，测量表面张力的方法主要有：最大压力气泡法、毛细管上升法、挂环法、滴重法、挂片法等。本实验采用接触角测量法测出表面接触角，然后间接计算出其界面张力。
【一】实验目的
1. 了解各界面张力及液体在固体表面上粘附功的物理意义。
2. 掌握接触角测量仪的使用方法。
【二】实验仪器
1. Ramé-hart 公司生产的Model p/n 250-F1型接触角测量仪
2. 玻璃、树脂等待测样品
【三】实验基本原理
早在200多年以前，英国物理学家 Thomas Young提出了著名的杨氏方程，成为研究固体表面润湿行为的理论基础，也为超疏水表面理论模型的建立打下了基础。Young认为，当液滴在组成均一、表面光滑且无限平坦的理想刚性固体表面上稳定存在的时候，固、液、气三相界面间的表面张力达到平衡状态，并与液滴在固体表面上的接触角满足如下方程：
γsl = γsv − γlvcosθY (1)
图1 Young模型
式中θY是Young模型中的平衡接触角，也是固体表面的本征接触角(Intrinsic Angle），γsv、γsl、γlv分别是固-气、固-液、气-液界面之间的张力(如图1所示)。在γsv和γlv已知的条件下，通过测量平衡接触角θY，可以计算出固-液界面张力γsl。
表1 不同温度下纯净水γlv的表面张力
温度(℃)
表面能γlv (mN/m) 0 7.56 5 7.49 10 7.42 15 7.35 20 7.28 25 7.20 27 7. 18 30 0.07118
注：其它温度可以根据Harkins的经验公式来估计纯净水的表面能（表面张力）：
γlv=75.796－0.145t－0.00024t2
式中t为摄氏温度，表面张力单位为mN/m。这个公式在10-60℃时适用。
若设固-液接触面积为单位面积，在恒温恒压下，此过程引起体系自由能的变化是：
∆G= γsl−γsv− γlv (2)
式中γsl ，γsv ，γlv分别为单位面积固-液、固-气和液-气的界面自由能。沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，粘附功的定义表示为：
Wa= γsv−γlv− γsl (3)
又有Young方程(1)和(3)式得：
Wa= γlv(1+cosθY) (4)
【四】实验内容
1. 校准样品台的水平，将装有测试液体的微量注射器安装在夹具上；
2. 测试开始前先将镜筒前的保护盖取下，依次打开照明系统光源、显示器、电脑主
机、启动WindowsXP界面，然后启动DROP image程序，运行测试软件，选择所需要的测试方法，输入适当的各实验参数，按确定，系统进入照片采集画面；
3. 将样品放在平台上，调节各旋钮使样品处于视窗中央，用视窗内十字线的水平线
与试样边缘线进行比对，微调校准测试样品表面的水平；
4. 调节注射器针头与样品的距离并滴液于样品上，调节底座与镜筒距离以改变焦距，
同时调节光源的强度使液滴处于最佳显示状态；
5. 鼠标拖动视窗内的十字线，使水平线重合液固接触线，竖直线左右平分液滴，按开始；
6. 测试完后保存相应的数据和图片，同一个样品上取5个不同的点进行测量，取接触角的
平均值；
7. 根据表1提供的不同温度下纯净水的表面张力数据，将测得的接触角代入方程式(4)，计
算出粘附功Wa。
【五】讨论题
1. 本实验引起系统误差和偶然误差的原因有哪些？
2. 温度、湿度对实验结果有什么影响？