海水表面张力系数与浓度、温度关系的实验研究

赵鲁梅，康小平

(海南热带海洋学院 海洋科学技术学院，海南三亚 572022)

海水表面张力系数与浓度、温度关系的实验研究

赵鲁梅，康小平

(海南热带海洋学院 海洋科学技术学院，海南三亚 572022)

利用硅压力敏传感器采用拉脱法进行海水表面张力系数的测量。取三亚海域的海水浓度作为参考，将NaCl溶液的浓度选在1%～9%。利用Origin软件对数据进行数值分析和模拟，结果表明，在恒定温度时，食盐水表面张力系数与浓度呈正线性相关，其随浓度增加略有增大；α海水>α食盐水>α纯水；在低温区，纯水、3.38%海水和5%食盐水的表面张力系数与温度呈负线性关系，并给出了表面张力系数随温度变化的近似表达式。

表面张力系数；海水；食盐水；浓度；温度

海南是中国海洋面积最大的省份，管辖的海域面积约200万平方千米，海水表面张力、重力与外力共同作用产生了波浪，波浪所蕴藏的能量(即波浪能)是一种取之不竭的可再生清洁资源。同时，海南作为岛屿型省份，水资源天然存续能力弱，周边岛礁岛屿分散，水资源短缺，严重影响了居民的生产和生活，发展海水淡化可作为应急保障和岛屿的重要水源。而海水的表面张力是海水的一种重要的物理化学性质，对于波浪能的开发利用、海水净化淡水及海洋溢油污染等具有一定的实际意义。

用硅压力敏传感器采用拉脱法测量液体表面张力系数的设备简单，方法直观，原理清晰，是实际研究中常采用的方法。[1-3]本试验采用拉脱法观察海水、NaCl溶液在不同浓度和温度下的表面张力，并利用Origin软件对试验数据进行数值分析和模拟。

1 实验

1.1 仪器材料

YJ-YLY-1压力传感器特性及应用综合实验仪，金属片框，砝码，镊子，游标卡尺，螺旋测微器，温度计，电子秤，烧杯，量筒，搅拌棒，纯水，NaCl晶体，盐度计。

1.2 实验方法

将一洁净的金属片框固定在10g力敏传感器上，将框竖直地缓缓浸没入待测液体中，令框底面保持水平，然后缓慢地顺时针转动千分尺，使液面下降。当金属片框在将离开液面时，由于表面张力的作用，框上挂有两层液膜。图1为金属片框某一过程受力情况，平衡条件为：

F=(m+m0)g+2f cosθ

(1)

式中：m为粘附在金属片框上液膜的质量；m0为金属片框的质量；f 为待测液体的表面张力；θ为表面张力与竖直方向的夹角，称为湿润角。[3]

图1 金属片框某一过程受力分析图

如果继续使液面下降，湿润角θ逐渐变小；液膜拉破前瞬间，θ=0°。根据表面张力的定义，有

2f=2α(l+d)

(2)

式中：α为待测液体的表面张力系数；l为金属片框的内空长度；d为金属片框的厚度。

液膜拉破前、后瞬间的受力平衡条件为：

F1-(m+m0)g-2α(l+d)=0

(3)

F2-m0g=0

(4)

又，液膜拉破前瞬间的质量为：

m=ρldΔhg(其中Δh=h2-h1)

(5)

式中：ρ为待测液体的密度；Δh为液膜拉脱前的高度；h1、h2分别为金属片框上边刚好与液面重合时、液膜刚好拉破瞬间千分尺的读数。

根据力敏传感器的压力特性，则有

U=KF

(6)

式中：K为力敏传感器的灵敏度，单位为mV/N。

联立式(1)～(6)，可得：

(7)

式中：U1、U2分别为液膜拉破前、后瞬间数字电压表的读数。

1.3 溶液配制

利用电子秤将纯水和NaCl晶体配制成浓度为1～9%的NaCl水溶液，每隔1%进行测量。

2 结果与讨论

2.1 力敏传感器定标

使用10g力敏传感器，5V工作电压，进行灵敏度的测量，实验结果如表1所示。

表1 力敏传感器定标

图2 灵敏度的测量

2.2 海水表面张力系数与盐度的关系

试验中，利用海水盐度计测量大东海和三亚湾海水的盐度分别为3.40%和3.38%。在25℃时，分别测量了纯水、大东海海水、三亚湾海水和1～9%NaCl水溶液的表面张力系数(各重复测量6次)，如表2所示。测量可得此时纯水的表面张力系数为71.59mN/m，理论值为71.96mN/m，测量相对误差为0.5%，表明该实验装置的测量误差较小。

图3 表面张力系数随盐度的变化曲线

由图3可以看出，在恒定温度时，食盐水表面张力系数与浓度近似呈线性关系，浓度增加时其表面张力略有增大。这与文献[2-7]报道相符。这是因为NaCl是无机盐，在水溶液中以离子形式存在。[8,9]同时，结合表2和图3还可以发现，在温度条件相同时，食盐水的表面张力系数大于纯水的表面张力系数，海水的表面张力系数远比同浓度食盐水的表面张力系数大。这是由海水是一种化学成分复杂的混合溶液而导致。

表2 不同盐度溶液的表面张力系数

2.3 海水表面张力系数与温度的关系

纯水、三亚湾海水和5%食盐水在20～60℃的表面张力系数，每隔5℃进行测量，具体实验结果如表3、图4、图5和图6所示。

表3 不同溶液表面张力系数与温度的关系

图4 纯水的表面张力系数

图5 3.38%海水表面张力系数与温度的关系

在试验中发现，随着温度的升高，纯水、三亚湾海水和5%食盐水的表面张力系数均有不同程度的降低，但下降幅度不大，这与热力学理论分析一致。[10]由图4可知，纯水的表面张力系数与温度的线性相关性较高，通过对图中实验结果进行线性拟合，可以计算出α=75.833-0.167t(mN/m)，由此可推断出20～60℃各温度下的表面张力系数。

从图5和图6中可以发现盐度恒定时，当温度低于45℃时，三亚湾海水和5%食盐水的表面张力系数随温度升高呈下降趋势；当温度高于45℃时，随温度升高呈无规律变化。这是由待测液体温度与室温的差异大小导致的，待测液体温度接近室温时，试验结果误差较小；待测液体温度远高于室温时，液体表面温度降低，使得试验结果误差增大。[11]同时，从图中还可看出，低温区内三亚湾海水和5%食盐水的表面张力系数与温度呈负线性关系。 通过对三亚湾海水低温区的测量结果进行线性拟合，其结果为α=78.836-0.183t(mN/m),r=-0.9995。

3 结论

(1)在25℃时，测量了纯水的表面张力系数为71.59mN/m，理论值为71.96mN/m，相对误差为0.5%，表明该实验装置的测量误差较小。纯水的表面张力系数与温度的线性相关性较高，通过计算其表面张力系数为α=75.833-0.167t(mN/m)，可推断出各温度下的表面张力系数。

(2)在恒定温度时，食盐水表面张力系数与浓度呈正线性相关，表面张力系数随浓度增加略有增大。这是因为NaCl是无机盐，在水溶液中以离子形式存在。同时还发现，食盐水的表面张力系数大于纯水的表面张力系数，海水的表面张力系数远比同浓度食盐水的表面张力系数大。这是由海水是一种化学成分复杂的混合溶液而导致。

(3)在盐度恒定时，3.38%海水和5%食盐水的表面张力系数随温度升高均有不同程度的降低，但下降幅度不大。在低温区，两者的表面张力系数与温度呈负线性关系，可计算出海水的表面张力系数为α=78.836-0.183t(mN/m)；当温度高于45℃时，两者的表面张力系数随温度升高呈无规律变化，这是由待测溶液温室与室温的差异大而导致的。

[1]叶庆,卿秀华.拉脱法测液体表面张力系数的误差分析[J].大学物理实验,2016,29(4):101-103.

[2]张富强,王春香,胡琳,等.利用拟合软件分析液体表面张力系数与浓度、温度的关系[J].大学物理实验,2016,29(1):98-100.

[3]李绍芃,陈晓童,吕刚.表明张力系数随氯化钠离子浓度的变化规律实验研究[J].大学物理实验,2016,29(1):8-10.

[4]龚良发,李汝雄,徐新,等.无机盐及其与表面活性剂混合物溶液的表面张力[J].北京石油化工学院学报,2000,8(1):42-46.

[5]李艳琴,张宏剑.不同种类杂质对液体表面张力系数的影响[J].实验室研究与探索,2013,32(4):43-46.

[6]陈国华,佘敬增,郭玲,等.海水表面张力的研究—海水表面张力同温度和实用盐度之间的经验关系[J].海洋与湖泊,1994,25(3):306-310.

[7]欧阳跃军.无机盐溶液表面张力的影响研究[J].中国科技信息,2009(22):41-43.

[8]王正烈,周亚平,李松林,等.物理化学(下册第四版)[M].北京:高等教育出版社,2005.

[9]傅献彩,沈文霞,姚天扬,等.物理化学(下册第五版)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[10]任文辉,林智群,彭道林. 液体表面张力系数与温度和浓度的关系[J]. 湖南农业大学学报(自然科学版),2004,30(1):77-79.

[11]张鹏. 海水表面张力的研究[J]. 山西师范大学学报(自然科学版),2011,25(4):44-45.

Class No.:O4-33 Document Mark：A

(责任编辑：宋瑞斌)

Relationship Between Coefficient of Seawater Surface Tension and Concentration, Temperature

Zhao Lumei, Kang Xiaoping

(School of Ocean Science and Technology, Hainan Tropical Ocean University, Sanya, Hai’nan 572022，China)

We made a measurement of the coefficient of seawater surface tension under different temperature and different concentration by silica pressure resistance sensor. With the Origin software, we analyzed and simulated the data obtained respectively, it is found that the surface tension coefficient of saline solution has a linear relation with the concentration at 25 degree, whose surface tension coefficient becomes greater with an increase in salinity ranged from 1% to 9%. The coefficient of seawater surface tension is greater than the saline solution and the water . Water, seawater and saline solution with a concentration of 5% has a negative linear relation with temperature in low temperature region. The approximate expression of the coefficient of these liquid surface tension with temperature is given in this paper.

coefficient of surface tension；seawater; saline solution; concentration; temperature

赵鲁梅，硕士，实验师，海南热带海洋学院。

海南省高等学校教育教学改革重大项目(编号：Hnjgzd2014-09)。

1672-6758(2017)08-0032-4

O4-33

A