摘要：根據(jù)液體表面函數(shù)最低原理，證明液體表面氣泡在足夠大時呈半球狀，在氣泡穩(wěn)定后，液膜收縮壓與氣泡球面曲率半徑成反比，據(jù)此可以利用半泡法測量液體表面張力系數(shù)。

液體表面張力系數(shù)測量是大學物理實驗和物理化學實驗教學中最基本的實驗，在實驗中其最常用的測量方法有拉脫式測量法和毛細管升高式測量法.筆者根據(jù)氣泡形成理論，引導學生通過對液體表面穩(wěn)定氣泡形狀和熱力學平衡條件理論，探尋液體表面張力系數(shù)測量的新方法，培養(yǎng)學生研究性學習和探究性實驗能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。

1理論基礎

1.1液體表面氣泡的形狀

1.1.1液體表面氣泡的形狀

氣泡一般是由于氣體通過小孔浸人液體層后分散擴張形成的.在氣泡形成過程中，由于液體表面張力的作用，使液膜呈收縮趨勢.球形氣泡的液膜表面積最小，所以，在沒有其他因素影響的條件下，空中和液體中的氣泡應處于球形的亞穩(wěn)狀態(tài).當氣泡落在液體表面或由液體內(nèi)部上升到液體表面以后，沒破裂的氣泡不再呈現(xiàn).球形狀態(tài)，與液體表面直接形成的氣泡一樣，呈現(xiàn)球缺形狀.液面氣泡由小到大的演變過程如圖1所示.當氣泡足夠大時，液體表面氣泡實際形狀接近半球，但在氣泡與液體表面接觸處可觀察到氣泡內(nèi)、外均存在液面向上彎曲現(xiàn)象，且泡內(nèi)水平液面相比氣泡外水平液面位置出現(xiàn)微小凹陷.

1.1.2液體表面半球狀氣泡模型理論證明

（1)假設液體表面的氣泡足夠大，可忽略氣泡內(nèi)外因液體表面張力作用引起的液面上彎現(xiàn)象，氣泡內(nèi)外液體表面均呈水平狀態(tài)；(2)假設氣泡內(nèi)氣體為恒溫恒壓恒容的理想氣體，且忽略內(nèi)外壓強差引起的氣泡內(nèi)液面凹陷,即氣泡內(nèi)與氣泡外液體表面處于同一水平面上；（3)由于氣泡膜壁很薄很輕，在此忽略重力對氣泡膜形狀的影響，并假設氣泡內(nèi)、外表面積近似相等,（4)假設該液體表面各向同性，所以表面形成的穩(wěn)定氣泡邊界為圓形.

設該液體的表面張力系數(shù)為。，氣泡的球面半徑為R，氣泡底面圓半徑為r，氣泡高為h，液體表面張力與水平液面之間的夾角為（如圖2所示）.

圖1液面氣泡由小到大的演變過程

圖2液體表面氣泡模型圖

由于氣泡內(nèi)氣體為一定體積的理想氣體，即V保持不變.根據(jù)吉布斯函數(shù)最低原理可知，當氣泡穩(wěn)定后其表面面積呈最小狀態(tài)，此時函數(shù)S對的一級導數(shù)為零，即：

證明此時液體表面氣泡呈半球形.

1.2穩(wěn)定氣泡的熱力學平衡條件

設氣泡穩(wěn)定時液膜為α相，泡外蒸汽為β相，泡內(nèi)蒸汽為β2相，泡外表面為相，泡內(nèi)表面為2相.若將氣泡表面理想化為標準球面，則表面相的物質(zhì)量n"=n=0.當氣泡穩(wěn)定后系統(tǒng)滿足熱平衡條

件一一各相溫度相等，且溫度和總體積保持不變.

假設系統(tǒng)在穩(wěn)定的基礎上發(fā)生一個虛變動，且在虛變動中各相物質(zhì)的量、體積和面積變化分別為on,ne,onV",oi,a,A,由于虛變動中系統(tǒng)的物質(zhì)量和總體積保持不變，則有

外部系統(tǒng)：on+onPi=0.Va+oV=0.

內(nèi)部系統(tǒng)：0na+onP2=0.V+VB2=0.

外部系統(tǒng)三相自由能總變化為

F=Fa+F+F"=-(Pa-P)oVa+o0A+(μ-μ)on.

內(nèi)部系統(tǒng)三相自由能總變化為

oF=Fa+oF+F=-(Pa-PP)oVa-00A+(μ-μ)o

現(xiàn)假設氣泡的球面半徑為R，則有

因系統(tǒng)中n和V是各自獨立的，由自由能判據(jù)可知，在溫度和總體積不變的條件下，平衡態(tài)的自由能最小,則：

氣泡系統(tǒng)的熱力學平衡條件為：PpBa一Pi=

氣泡液膜的收縮壓為：P膜=ppa一PPl=R

由上可見，在氣泡穩(wěn)定后，液膜收縮壓與液體表面張力系數(shù)成正比，與氣泡球面曲率半徑成反比.

2半泡法測液體表面張力系數(shù)實驗設計

2.1實驗原理

根據(jù)穩(wěn)定氣泡的熱力學平衡條件可知，氣泡的液體表面張力系數(shù)為：0

氣泡的直徑，Pi和PP分別代表氣泡外部和內(nèi)部的氣體壓強.測出液體表面氣泡圓形底面的直徑、氣泡內(nèi)部和外部的氣體壓強，就可測定該液體的表面張力系數(shù).

2.2實驗裝置的設計

利用半泡法測定液體表面張力系數(shù)，實驗裝置示意圖如圖3所示.主要包括：有機玻璃外罩（外罩側壁帶通氣孔），三通管，數(shù)字式微氣壓計，膠管，帶止逆閥的手動充氣膠囊，水準泡，平面底座（底座上表面帶以中央為零點坐標的圓弧形刻度線，底座中央帶有一通孔，孔徑與三通管相匹配，底座下部安裝可調(diào)平螺釘）.

圖3半泡法測定液體表面張力系數(shù)的實驗裝置示意圖

2.3實驗方法

(1)按圖3組裝實驗設備.取下玻璃外罩，將水準泡放在底板中央，調(diào)節(jié)足底螺釘，使底板處于水平狀態(tài).

（2)取下水準泡，將底板和發(fā)泡口均勻涂滿發(fā)泡液.

（3）蓋上有機玻璃防風外罩，用打氣囊緩慢打氣.觀察氣泡的形成和氣壓計所顯示的氣泡內(nèi)和氣泡外的氣壓值，求出內(nèi)外壓強差.

（4)待氣泡穩(wěn)定后由氣泡邊緣在底板上的位置坐標，求出氣泡的直徑。

（5)逐漸改變氣泡的大小，并重復（3）（4兩步4～6次，記錄測量值.

3結束語

半泡法測液體表面張力系數(shù)實驗設計，原理清晰，結構簡單，操作簡便，現(xiàn)象明顯，可明顯觀察到氣泡直徑隨內(nèi)部氣壓的變化而呈現(xiàn)的變化規(guī)律.在進行定量測量時，可通過同一變化過程所測得多組實驗數(shù)據(jù)，靈活運用圖示法、逐差法等進行數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)了學生自主分析問題的能力.