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不同濃度下白糖、紅糖溶液的表面張力系數(shù)變化

來源:山西大同大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 瀏覽 2242 次 發(fā)布時間:2023-06-27

液體表面總是處于一種繃緊的狀態(tài),這是由于液面各部分之間存在著相互拉緊的力,這種力就是表面張力,表征表面張力的一個重要參數(shù)是表面張力系數(shù),它的大小由液體的種類及溫度決定,不同溶質(zhì)的溶液其表面張力系數(shù)亦不盡相同。測定液體的表面張力系數(shù)也是大學(xué)物理實驗中一個重要的基本力學(xué)實驗,本文測定了不同蔗糖溶液在不同濃度下對表面張力系數(shù)的影響。


1、測量原理


測量表面張力系數(shù)的方法有拉脫法、毛細管法、最大氣泡壓力法、光纖干涉法、激光衍射法等,本實驗中采用拉脫法。實驗儀器為FD-NST-1表面張力系數(shù)測定儀,其拉力與輸出電壓關(guān)系為F=U/B,B為傳感器靈敏度。


一個金屬環(huán)其內(nèi)、外徑分別為D1和D2,將其固定在硅壓阻力敏傳感器上,并垂直浸沒于液體中,通過旋轉(zhuǎn)螺絲升降平臺,降低平臺時,圓環(huán)被漸漸拉起,金屬環(huán)和液面之間拉起環(huán)形液膜,忽略被拉起的液膜重力,此時拉力為


F1=m0g+fcosθ,


其中,m0為吊環(huán)質(zhì)量,f為液體表面張力。f=π(D1+D2)α,α為表面張力系數(shù),θ為表面張力與豎直方向的夾角,稱為濕潤角。


當(dāng)液膜即將被拉脫時,θ≈0傳感器受到的拉力為


F1=m0g+f,


液膜被拉脫后拉力為


F2=m0g,


故表面張力系數(shù)為

2、數(shù)據(jù)測量和處理


2.1硅壓力敏傳感器定標(biāo)


為了減小人為誤差,對于力敏傳感器的靈敏度的測量采用先依次增加砝碼片個數(shù),測出相應(yīng)電壓用U+表示,再依次減小砝碼片個數(shù),測出相應(yīng)電壓用U-表示,然后再將電壓取平均值。測量數(shù)據(jù)如下,太原地區(qū)的重力加速度為9.7970 m/s2。由圖1得傳感器的靈敏度為B=2.6792 V/N,線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9999。



2.2不同蔗糖溶液的表面張力系數(shù)測定


本實驗所用吊環(huán)外徑D1=3.496 cm,內(nèi)徑D2=3.310 cm,調(diào)節(jié)上升架,記錄環(huán)在即將拉斷液體時數(shù)字電壓表的讀數(shù)為U1,拉斷時數(shù)字電壓表的讀數(shù)為U2。實驗所選樣品為白糖和紅糖,這兩種蔗糖由于提取的工藝不同而呈現(xiàn)不同的顏色,但都屬于蔗糖類,實驗中分別配置了從1%~8%的濃度的白糖溶液和紅糖溶液,在20℃下分別測量其不同濃度下的表面張力系數(shù),測量數(shù)據(jù)如表2和表3,做表面張力系數(shù)隨濃度變化的圖如圖2,3。


由測量數(shù)據(jù)及圖像可看出,與純水的表面張力系數(shù)(72.75×10-3N/m)相比,當(dāng)加了蔗糖后,其表面張力系數(shù)均有所降低。在同一濃度下,白糖溶液的表面張力系數(shù)大于紅糖溶液的表面張力系數(shù);對于白糖溶液,隨著濃度的增加,表面張力系數(shù)先快速減小,在4%的濃度時表面張力系數(shù)達到最小,之后又有小幅增加;對于紅糖溶液,其表面張力系數(shù)要低于白糖溶液,隨著濃度的增加,表面張力系數(shù)減小,只是在濃度較小時減小的快,濃度較大時減小的慢。

表2白糖溶液的表面張力系數(shù)

圖2白糖溶液的表面張力系數(shù)


出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與兩種蔗糖的成分有關(guān),紅糖是將甘蔗切碎碾壓成汁液去除泥土、細菌、纖維等雜質(zhì),慢火熬制而成,其主要成分蔗糖、維生素、微量元素及氨基酸等,白糖是紅糖經(jīng)洗滌、離心、分蜜、脫光等幾道工序制成的,其主要成分是碳水化合物和鈣,由于兩種糖類的成分不同,使得他們的表面張力系數(shù)不同。

表3紅糖溶液的表面張力系數(shù)

圖3紅糖溶液的表面張力系數(shù)


3、結(jié)論


不同種類的雜質(zhì)的表面張力系數(shù)是不同的,摻入同類雜質(zhì)如蔗糖,由于不同的制作工藝,得到不同的蔗糖如紅糖和白糖,其成分有差別,這樣的差別也會導(dǎo)致不同的蔗糖溶液的表面張力系數(shù)不同,蔗糖溶液的表面張力系數(shù)比純水的表面張力系數(shù)小,同一濃度下,白糖溶液的表面張力系數(shù)大于紅糖溶液的表面張力系數(shù),而且隨著濃度的增加,兩種溶液的表面張力系數(shù)的變化趨勢也不盡同。


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