热力学论文
摘 要： 本论文采用拉脱法测量了10℃时0.9%的生理盐水、调和油、洗洁精、雪碧四种液体分别置于通电和未通电的亥姆霍兹线圈中时的表面张力, 研究了有、无磁场和磁场变化时四种液体表面张力的变化。实验表明加入磁场后由于液体分子间作用力减弱导致液体的表面张力明显减小。实验通过改变线圈电压来改变电流时, 发现表面张力随磁场强度不规则增大。
关键词： 表面张力; 磁化; 拉脱法;
液体的表面张力是由于液体表面分子受力不对称所致, 表面层内分子受到本相分子的作用, 另一方面又受到性质不同的另一本相分子的作用, 导致液体表面层内分子的球对称性被破坏而受到指向液体内部的合力作用, 液体和气体接触的表面存在的薄层即表面层 (其厚度等于分子的作用半径, 为10-8cm) , 表面层里的分子比液体内部稀疏, 分子间的间距比其内部大些, 由于表面层内分子的作用, 存在着一定的张力, 即液体表面张力。[1,2,3]在建筑行业、医学、工业等行业中表面张力起着非常重要的作用, 如表面张力对混凝土断裂能力及其应变软化。[4,5,6]利用表面张力也可解释液态物质所具有的现象, 例如泡沫的形成, 湿润现象等。同时磁化现象在医学、防腐及材料科学中都得到了广泛的应用。[5]在磁场作用下将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体 (矿物油、硅油等) 中形成的悬浮液就是磁流变液。磁流变液是一种用途广泛、性能优良的智能材料已经开始应用于研磨 (抛光) 工艺、阀门和密封、家庭健身器、机械手的抓持机构、装配车间不规则形体的依托架、以及自动化仪表、机器人的传感器和采矿、印刷等行业。[1]因此磁场的存在对液体表面张力有非常重要的作用。本文采用弹簧测力计测得物体在不同密度液体的表面张力[7], 测量在不同磁场强度的作用的液体表面张力的变化。
1、 实验原理与方法
实验采用拉脱法测量一个绝缘规则固体从待测液体表面脱离时所需要的拉力, 该拉力是由液体表面张力、磁场强度、液体材质等因素决定。实验时所选择的磁场是由亥姆霍兹线圈产生的。将所选择的样品置于DH4501型号亥姆霍兹线圈实验仪 (两线圈中心连线一段, 出现一个平台为匀强磁场) 中心处, 由亥姆霍兹线圈公共轴线中心点位置的磁感应强度公式有:
式中N0为线圈匝数, I为线圈流过的电流强度, R为亥姆霍兹线圈的平均半径, μ0为磁导率。
用亥姆霍兹线圈实验仪控制输出电流, 使输出电流与场强成正比。拉脱法在拉动绝缘规则固体 (橡皮) 穿过液膜拉断前瞬间保持力的方向完全竖直向下, 此时可根据拉力和重力即得到液体的表面张力。
式中F为所施的外力, m为绝缘规则固体的总质量, g为重力系数, σ为表面张力。
磁场作用下样品表面张力随电流的变化图
用弹簧秤称出绝缘规则固体 (橡皮) 的质量, 并在不加磁场的情况下分别使用拉脱法测量四种等量样品表面张力。使用将亥姆霍兹线圈垂直方向放置的方法得到垂直磁场。将线圈通电预热十五分钟后, 置烧杯于亥姆霍兹线圈两个线圈的正中间, 磁化十分钟。随后不断递增通过线圈的电流, 测量其表面张力;重复实验。实验结果图见左。
2、 结论与分析
样品在磁场作用下, 表面张力变化如左图所示, 随着磁处理时间的增加, 样品的表面张力先增加, 后减少, 然后再增大。一定范围内 (电流在10到60m A内) , 经磁场处理后的样品表面张力小于处理前的表面张力。在增加磁场强度后样品表面张力小幅度变化, 电流值变化时表面张力增大或减小到峰值。雪碧、调和油、洗洁精在电流为60m A时, 表面张力达到最大值;实验发现盐水或其他溶液经过磁场处理后, 其物理、化学性质会发生改变, 这种改变与磁场处理次数、磁场强度、流速等因素有关。
对于上述结论产生的解释, 我们认为在不同的磁场强度下, 水分子内氢键及水分子间的键结构、键角、键长被改变的程度、数量都会有所不同。即液体磁化后会使液体表面张力系数降低。磁化了破坏这种水合作用, 使游离的单一水分子所占比例不断增大, 引起平均水分子结合能降低和表面张力不断下降, 本实验中样品也因此降低了表面张力。
溶液在磁场作用下, 有下列反应式进行[4]:
其中E为磁场强度。随着磁场的增强及时间的改变, 分子的键结构及定向性都会发生相应的变化。而在不同的磁场、时间范围内, 水分子内氢键及水分子间的键结构、键角、键长被改变的程度、数量都会有所不同。磁化作用使水合作用遭受破坏的程度越大表面张力的下降也就愈大。
参考文献：
[1]磁流变液研究概况[J].高分子实验室, 2013-04-30.
[2]李艳琴.均匀磁场中磁性液体的磁表面张力系数实验研究[J].物理与工程, 2016-26-01.
[3]张岩.磁化处理对铸造无机材料 (水、水玻璃) 性能的影响[J].大连理工大学, 2003-03-10.
[4]任宇航, 许祝安, 田涛, 等.水表面张力的磁化效应[J].浙江大学学报 (自然科学版) , 1997-31-02.
[5]王松滨, 张玉松, 黄文德.磁场处理对水表面张力的影响[J].内蒙古大学学报 (自然科学版) , 1989-19-03.
[6]文军.李芳菊.基于表面张力的水质检测与分析[J].实验室研究与探索, 2015-34-04.
[7]杨述武.普通物理实验:第一册[M].北京:高等教育出版社, 1999-137-401.