表面張力知識

1、基本概念一、粘度液體在流動時，在其分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為液體的黏性，粘 性的大小用黏度表示，粘度又分為動力黏度與運(yùn)動黏度度。1. 黏度簡介將流動著的液體看作許多相互平行移動的液層，各層速度不同，形成速度梯度（dv/dx）,這是流動的基本特征.（見圖）由于速度梯度的存在,流 動較慢的液層阻滯較快液層的流動，因此液體產(chǎn)生運(yùn)動阻力為使液層維持一定的速度梯度運(yùn)動，必須對液層施加一個與阻力相反的反向力在單位液層面積上施加的這種力,稱為切應(yīng)力t （N/m2）.切變速率（D） D=d v /dx （S-1）切應(yīng)力與切變速率是表征體系流變性質(zhì)的兩個基本參數(shù)牛頓以圖4-1的模式來定義流體的粘度。兩不同平面

2、但平行的流體，擁有相同的 面積” A”，相隔距離” dx”，且以不同流速” V1”和” V2'往相同方向 流動，牛頓假設(shè)保持此不同流速的力量正比于流體的相對速度或速度梯 度，即： t = n dv/dx = n D （牛頓公式）其中n與材料性質(zhì)有關(guān)，我們稱為“粘度”。2. 黏度定義將兩塊面積為1m2的板浸于液體中，兩板距離為1米，若加1N的切應(yīng)力 使兩板之間的相對速率為1m/s,則此液體的粘度為 IPa.s。 牛頓流體：符合牛頓公式的流體。粘度只與溫度有關(guān)，與切變速率無關(guān)，t與D為正比關(guān)系。非牛頓流體：不符合牛頓公式t /D=f （ D）,以na表示一定（t /D ）下的粘度，稱表觀粘

3、度。又稱黏性系數(shù)、剪切粘度或動力粘度。流體的一種物理屬性，用以衡量流體的粘性，對于牛頓流體，可用牛頓粘性定律定義之：式中卩為流體的黏度；t yx為剪切應(yīng)力；ux為速度分量；x、y 為坐標(biāo)軸；dux/dy為剪切應(yīng)變率。流體的粘度卩與其密度p的比值稱為運(yùn)動粘度，以v表示。粘度隨溫度的不同而有顯著變化，但通常隨壓力的不同發(fā)生的變 化較小。液體粘度隨著溫度升高而減小，氣體粘度則隨溫度升高而增大。 對于溶液，常用相對粘度yr表示溶液粘度 卩和溶劑粘度卩之比，即：相對粘度與濃度 C的關(guān)系可表示為：卩r = 1+【卩】C+ K【卩】C+式中【卩】為溶液的 特性粘度，K為系數(shù)。【卩】、K均與濃度無關(guān)。不同流體

4、的粘度差別很大。在壓強(qiáng)為101.325kPa、溫度為20C的條件下，空氣、水和 甘油的動力粘度和運(yùn)動粘度為：空氣11 = 17.9 x 10Pa s，v = 14.8 x 10m/s水 i = 1.01 x 10Pa s， v = 1.01 x 10m/s 甘油 1 = 1.499Pa s，v = 1.19 x 10m/s由于粘度的作用，使物體在流體中運(yùn)動時受到摩擦阻力和壓差阻 力，造成機(jī)械能的損耗（見流動阻力）。各種流體的粘度數(shù)據(jù)，主要由實(shí)驗(yàn)測得。常用的粘度計(jì)有毛細(xì)管式、落球式、錐板式、轉(zhuǎn)筒式等。在工業(yè)上有時用特定形式的粘度計(jì)來測 定特定的條件粘度。如煉油工業(yè)中常用恩氏粘度（或恩格拉粘度）作

5、為石油產(chǎn)品的一個指標(biāo)，它表示某一溫度下200cm油品與同體積20C純水，從恩氏粘度計(jì)中流出所需時間之比。恩氏粘度與動力粘度的關(guān)系可按經(jīng)驗(yàn)公 式換算。又如橡膠工業(yè)中常用門尼粘度為衡量橡膠平均分子量 及可塑性的一個指標(biāo)。在缺少粘度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時，可按理論公式或經(jīng)驗(yàn)公式估算粘度。對 于壓力不太高的氣體，估算結(jié)果較準(zhǔn)；對于液體則較差。對非均相流體（如低濃度懸浮液）的粘度，可以用愛因斯坦公式估算：式中ym為懸浮液的粘度；卩 為連續(xù)相液體的粘度；© 為懸浮液 中分散相的體積分?jǐn)?shù)；yd為分散相粘度。當(dāng)分散相為固體顆粒時， 卩dfx，;當(dāng)分散相為氣泡時，y df 0，y m=（1+© ） y。

6、3. 粘度測定粘度測定有：動力粘度、運(yùn)動粘度和條件粘度三種測定方法。（1）動力粘度：nt是二液體層相距1厘米，其面積各為1（平方厘 米）相對移動速度為1厘米/秒時所產(chǎn)生的阻力，單位為克 /厘米秒。1克/ 厘米秒=1泊一般：工業(yè)上動力粘度單位用泊來表示。（2）運(yùn)動粘度：在溫度 t 0時，運(yùn)動粘度用符號丫表示，在國際單位制中，運(yùn)動粘度單位為斯，即每秒平方米（m2/s），實(shí)際測定中常用厘斯，（cst）表示厘斯的單位為每秒平方毫米（即1cst=1mm2/s）。運(yùn)動粘度廣泛用于測定噴氣 燃料油、柴油、潤滑油等液體石油產(chǎn)品深色石油產(chǎn)品、 使用后的潤滑油、原油等的粘度，運(yùn)動粘度的測定采用逆流法（3）條件粘度

7、：指采用不同的特定粘度計(jì)所測得的以條件單位表示的粘度，各國通常用的條件粘度有以下三種： 恩氏粘度又叫思格勒 （En gler）粘度。是一定量的試樣，在規(guī)定溫度（如：50C、80C、100C）下，從恩氏粘度計(jì)流出200毫升試樣所需的時間與蒸餾水在 20C流出相同體積所需要的時間（秒）之比。溫度tº時，恩氏粘度用符號Et表示，恩氏粘度的單位為條件度。 賽氏粘度，即賽波特（sagbolt）粘度。是一定量的試樣，在規(guī)定溫度（如100ºF、F210ºF或122ºF等）下從賽氏粘度計(jì)流 出200毫升所需的秒數(shù)，以“秒”單位。賽氏粘度又

8、分為賽氏通用粘度和 賽氏重油粘度（或賽氏弗羅（Furol）粘度）兩種。雷氏粘度即雷德烏德（Redwood）粘度。是一定量的試樣，在規(guī)定溫度下，從雷氏度計(jì)流出50毫升所需的秒數(shù)，以“秒”為單位。雷氏粘度又分為雷氏1號（Rt表示）和雷氏2號（用RAt表示）兩種。上述三種條件粘度測定法，在歐美各國常用，我國除采用恩氏粘 度計(jì)測定深色潤滑油及殘?jiān)屯?，其余兩種粘度計(jì)很少使用。三種條件粘 度表示方法和單位各不相同，但它們之間的關(guān)系可通過圖表進(jìn)行換算。同 時恩氏粘度與運(yùn)動粘度也可換算，這樣就方便靈活得多了。粘度的測定有許多方法，如轉(zhuǎn)桶法、落球法、阻尼振動法、杯式粘度計(jì)法、毛細(xì)管法等等。對于粘度較小的流體，

9、如水、乙醇、四氯化碳等，常用毛細(xì)管粘度計(jì)測量；而對粘度較大流體，如蓖麻油、變壓器油、機(jī)油、甘油等透明（或半透明）液體，常用落球法測定；對于粘度為0.1100Pa? s范圍的液體，也可用轉(zhuǎn)筒法進(jìn)行測定。編輯本段4. 其他概念實(shí)驗(yàn)室測定粘度的原理一般大都是由斯托克斯公式和泊肅葉公式導(dǎo)出 有關(guān)粘滯系數(shù)的表達(dá)式，求得粘滯系數(shù)。粘度的大小取決于液體的性質(zhì)與溫度，溫度升高，粘度將迅速減小。因此，要測定粘度，必須準(zhǔn)確地控 制溫度的變化才有意義。粘度參數(shù)的測定，對于預(yù)測產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝 控制、輸送性以及產(chǎn)品在使用時的操作性，具有重要的指導(dǎo)價值，在印 刷、醫(yī)藥、石油、汽車等諸多行業(yè)有著重要的意義。1845年，

10、英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家斯托克斯(G. G. Stokes, 1819-1903 )和法國的納維(C.L.M.H. Navier )等人分別推導(dǎo)出粘滯流體力學(xué)中最基本的方程組，即納維 -斯托克斯方程，奠定了傳統(tǒng)流體力學(xué)的 基礎(chǔ)。1851年，斯托克斯推導(dǎo)出固體球體在粘性介質(zhì)中作緩慢運(yùn)動時 所受的阻力的計(jì)算公式，得出在給定力(重力)的作用下，阻力與流速、 粘滯系數(shù)成比例，即關(guān)于阻力的斯托斯公式。納維-斯托克斯方程是數(shù)學(xué)中最為難解的非線性方程中的一類，尋求它的精確解是非常困難的事。直至今天，大約也只有70多個精確解，只有大約一百多個特解被解出來，是最復(fù)雜的、尚未被完全解決的世界級 數(shù)學(xué)難題之一。5. 粘

11、度單位換算表動力粘度單位換算;:1厘泊(1cP)=1毫帕斯卡.秒(1mPa.s)100 厘泊(100cP)=1 泊(1P) 1000毫帕斯卡.秒(1000mPa.s)=1 帕斯卡.秒(1Pa.s) 動力粘度與運(yùn)動粘度的換算：n = v . p式中n試樣動力粘度(mPa.s)v試樣運(yùn)動粘度(mm2/s)p與測量運(yùn)動粘度相同溫度下試樣的密度(g/cm3)恩氏粘度與運(yùn)動粘度換算：v /mms° Ev /mms° Ev /mms° Ev /mms° Ev /mms° E11172.55405.35729.5112015.81.51.0617.52.64

12、15.48739.6412516.521.12182.65425.61749.7713017.22.51.1718.52.71435.74759.913517.831.22192.77445.87761014018.53.51.2619.52.834567710.1514519.141.31202.88466.137810.315019.84.51.3520.52.94476.267910.4515520.551.39213486.388010.616021.15.51.4421.53.06496.518110.716521.861.48223.11506.648210.817022.46.5

13、1.5222.53.17516.778310.9517523.171.56233.23526.98411.118023.87.51.6123.53.29537.038511.218524.481.65243.35547.178611.319025.18.51.7124.53.41557.38711.4519525.791.75253.47567.438811.620026.49.51.825.53.53577.568911.7520527101.84263.59587.699011.921027.710.51.88273.71597.82911221528.3111.94283.83607.9

14、59212.12202911.51.99293.96618.079312.2522529.6122.03304.08628.29412.423030.412.52.08314.21638.339512.5523530.9132.13324.33648.459612.724031.713.52.18334.46658.589712.824532.3142.23344.58668.729812.92503314.52.28354.71678.859913.0525533.6152.33364.84688.9810013.226034.215.52.38374.96699.1110513.92653

15、4.9162.44385.1709.2411014.527035.516.52.5395.22719.3711515.227536.2二、表面張力多相體系中相之間存在著界面(in terface)。習(xí)慣上人們僅將氣-液，氣-固界面稱為表面(surface)。通常，由于 環(huán)境不同，處于界面的 分子與處于相本體內(nèi)的分子所 受力是不同的。在水內(nèi)部的一個水分子受到周圍水分子的作用力的合力為0，但在表面的一個水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力 方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收 縮力稱為表面張力。將

16、水分散成霧滴，即擴(kuò)大其表面，有許多內(nèi)部水分子 移到表面，就必須克服這種力對體系做功一一表面功。顯然這樣的分散體系便儲存著較多的表面能(surface energy)。表面張力(surface tension)是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。在 293K下水的表面張力為 72.75 X10 -3 Nm-1，乙醇為 22.3 2X 10-3 Nm-1，正丁醇 為 24.6 X 10-3Nm -1，而水-正丁醇(4.1 %。) 的界面張力為34X 10-3 Nm-1。面張力的測值通常有多種方法,目前實(shí)驗(yàn)室及教科書中,通常采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

17、于學(xué)生理解表面張力的原理，因而長期以來是教學(xué)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 白金環(huán)法懸滴法滴體積法最大氣泡壓法等.定義及相關(guān)(1)定義或解釋 促使液體表面收縮的力叫做表面張力1。 液體表面相鄰兩部分之間，單位長度內(nèi)互相牽引的力。單位表面張力的單位在 SI制中為牛頓/米(N/m),但仍常用 達(dá)因/厘 米(dyn/cm) , 1dyn/cm = 1mN/m 。(3)說明 表面張力的方向和液面相切，并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。 表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。它發(fā)生在液體和氣體接

18、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(nèi)部的分 子和分子間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠(yuǎn)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(kuò)散，而只能在平衡位臵附近振動和旋轉(zhuǎn)。在液體表面附近的分子由于只顯 著受到液體內(nèi)側(cè)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(jié)果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比內(nèi)部分子分布來得稀疏。相對于液體內(nèi)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占優(yōu)勢。因此，如果在液體表面上任意劃一條分界線

19、MN把液面分成a、b兩部分，如圖所示。F表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力，F(xiàn)6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。 表面張力 F的大小跟分界線 MN的長度成正比?？蓪懗蒄=cL或（T =F/L。比值（T叫做表面張力系數(shù)，它的單位常用 dyn/ cm=在數(shù)值上表 面張力系數(shù)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(shù)=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/（2*所 取線段長

20、）。表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無關(guān)。表面張力在水的內(nèi)部，每一個水分子都被同胞（水分子）所包圍，所以呆得很舒服，最多就是四處亂轉(zhuǎn)，總體上沒有搬家的想法。再說那些界面上的分子，一面是同胞，另一面是外族（空氣分子）。所謂 不是一家人，不進(jìn)一家門 ”，空氣分子對水分子顯然不友好。即使友好，其吸引 力也趕不上同胞的吸引力，異性相吸在這里完全不適用。所以，界面上的分子都傾向于搬到同族內(nèi)部去。水分子們沒有受過傳統(tǒng)美德的教育， 只知道自己舒服，所以每一個都拼命往里擠。顯然，這樣擠的結(jié)果就是：界面盡可能地減 小。對于固定體積的水來說，球的表面積是最小的，所以這一團(tuán)水會很快形成一個球。任 何流體物質(zhì)表

21、面上的分子，都有使其表面減小的趨勢。導(dǎo)致這一減小的力，就是表面張 力。下面這個圖是解釋表面張力的一個理想試驗(yàn)。一個光滑的金屬框，有一邊是可以自由 滑動的。把這個框在水里浸一下，框里就形成一層水膜。水膜有上下兩個表面，根據(jù)上面 說的，表面上的水分子有使表面減小的傾向，所以必須施加一定的力F才能對抗這個力從而保持住水膜面積。很顯然，這個力F的大小與那個邊的長度I成正比。而這個比例是水的一種基本性質(zhì)，與力 F和邊I無關(guān)。在界面科學(xué)里，這個比例被定義為表面張力，它的單位 是力除以長度，牛頓 /米。由于表面張力的值比較小，通常用的是迷你牛頓/米，寫作“ mN/m'o表面張力繼續(xù)看這個圖，如果我們用稍稍大于但是無限接近F的力把那個邊移動一點(diǎn)距離dx，這樣我們對這個水膜做功增加了它的表面積l?dx。我們作的功是力F乘以距離dx，應(yīng)該等 于水膜增加的表面能。把所作的功除以增加的表面，得到的是一平方米表面積所具有的表面能。做一下簡單換算，會發(fā)現(xiàn)這