利用毛細上升法測定水的表面張力

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引言

毛細現象是一種綜合作用，它利用毛細上升法幫助確定水的表面張力。在這種方法中，粘附力和內聚力導致液體或水在細直徑的管中上升。內聚力也在同一時間內發揮作用，透過將彎月面向上拉至底部以對抗重力來減少水分子之間的距離。在本教程中，我們將學習如何利用毛細上升法獲得表面張力知識。毛細上升法的用途在於透過應用公式來理解液體的表面張力。此方法還使用測量顯微鏡進行測量。

毛細上升法

毛細上升法中使用的淨力的吸引力導致水的表面與排斥力的內壁收縮。該點到表面區域的收縮可以使其體積的面積最小。力的吸引力可以使用不同的公式（Thefactfactor，2022）。例如，當外部能量微不足道時，水的球形滑移是一個值得了解的景象。

圖1：毛細管中的彎月面法

毛細作用可以表示為水透過細管、圓柱體或吸水物質的上升，這是由於粘附力和內聚力導致容器表面與水之間相互作用的結果。當水本身的分子間粘附力遠小於物質的表面時，就會出現毛細現象。此外，作為結果，容器的直徑和重力將決定上升水的數量（Sciencedirect，2022）。在這種方法中，當表面的強度被管中水的重力抵消時，就會達到平衡。

毛細作用中的力

以下是確定水作為毛細作用處理過程中的主要力：

內聚力

特定物質的分子間鍵合吸引相互作用力來控制一定量的水的形狀。

表面張力

表面張力可以使用單位牛頓/米進行估算。

粘附力

不同分子之間發生的張力被稱為粘附力。

理論

用於估算表面張力的公式如下：T = r(r + h/3)pg / 2cosθ

步驟

想要使用毛細管法實驗測定水錶面張力的學生需要準備一些儀器。第一步，需要將可調節支架放在桌子上，並使用螺絲進行調平，使底座處於水平狀態。準備新鮮的水是一個必要的步驟。總共需要三個不同半徑的毛細管（Vachaparambil & Einarsrud，2019）。垂直對齊毛細管以調整高度至關重要。

圖2：毛細管的放置

步驟從將提供的管固定在彼此平行的玻璃板上開始。在下一步中，學生應儘可能緊密地固定管子的下端浸入水中。針頭需要固定在距離毛細管1釐米的地方（Corrosionpedia，2022）。管子的形成是垂直的，浸入水中。在下一步中，學生需要將注意力集中在燒杯附近的夾具支架上。顯微鏡獲得的螺絲和凸透鏡的使用有助於額外的十字絲。

此外，在下一步中，學生需要將顯微鏡的螺絲水平旋轉，以考慮放置在旁邊的毛細管的視角，並再次重複相同的步驟，以獲得水的表面張力值的正確位置。透過降低顯微鏡的尖端，學生可以將焦點放在兩條交叉線上，這將透過刻度“R”獲得垂直讀數（Kim *et al。* 2018）。透過上述步驟，學生可以使用毛細管對水的表面張力值進行適當的測量。

觀察結果

序號	帶十字絲位置的顯微鏡讀數				內徑			內半徑
	‘A’	‘B’	‘C’	‘D’	垂直 (AB)	水平 (CD)	平均值 (AB+CD)/2	d/2 r
‘1’
‘2’
‘3’

表1：毛細管的內徑

結論

在本教程中，研究人員已經利用毛細管法獲得了表面張力值。元件的突出功能可以透過應用毛細上升法來提高精度。學生需要指導才能使用實驗所需的儀器。此外，需要使用新鮮清潔的水才能更準確地進行測量。毛細作用的應用在所有形式的基本特性中都很明顯。

常見問題 (FAQs)

Q1. 水的表面張力是多少？

A1. 水的表面張力在20°C時為$\mathrm{7.275\: \times\: 10^{–2}\: N-m^{–1}}$。這很容易透過將顯微鏡水平放置來進行測量。

Q2. 毛細作用的可能應用是什麼？

A2. 毛細作用的一個可能的用途是作為可再生能源的參考。透過允許水透過毛細管上升，並在其到達庇護所時蒸發。

Q3. 什麼是毛細上升法？

A3. 這種方法最方便、最簡單，它基於使用充滿液體的乾淨毛細管來獲取結果。此方法用於計算表面張力。