熔体的表面张力

熔体的表面张力 表面张力的概念表面张力的影响因素表面张力的计算及测量方法 表面张力的概念及定义 概念 促使金属熔体表面收缩的力叫熔体表面张力 产生原因 与气相接触的液体表面质点 因其配位数未得到满足 处在不对称的力场内 质点间作用力不平衡 比液体内部的质点具有较高的能量 由于表面质点能量过剩 液体表面将自动收缩以降低过剩之能量 液体表面的这种自动收缩的趋势 相当于在液体表面水平方向上存在着使液体表面收缩的力 定义 产生新1m 表面积所做的功 表面张力的概念及定义 在液体表面的切平面方向 作用于单位长度l液体表面上的力F 表面张力单位 N m 表面张力的影响因素 影响熔体表面张力的主要因素是温度和组份 一温度的影响在一定温度下 纯液体的表面张力是一定的 随着温度升高 表面张力减小 这是由于原子的热运动加强 位于液体内部的质点与液体表面上的质点间的相互作用力减弱 在临界温度时 汽 液相界面消失 液体的表面张力为零 对大多数液体而言 表面张力与温度成线性关系 下图为某些熔盐表面张力与温度的关系 影响因素 表面张力的影响因素 影响因素 表面张力的影响因素 二 组分的影响表面活性物质降低溶剂表面张力 表面活性物质能自发地移到溶液表面使表面浓度大于内部浓度 熔体内的某些元素使其表面张力发生变化 微量溶质 氧和硫 的存在对铜熔体的表面性质影响很大 O S N使铁液的表面张力显著降低 Mn对铁液表面张力的影响也很大 Si Cr C及P V 的影响比较小 Ti Mo等对铁液的表面张力没有影响 称其为表面非活性元素 碱金属氯化物熔盐的表面张力Licl至Cscl依次降低 与阳离子半径依次增大的次序相一致 熔渣的表面张力与其组成的氧化物有关 表面张力的影响因素 一些合阴离子的氧化物如SiO2 P2O5 TiO2 CaF2使熔渣的表面张力显著降低 MnO MgO CaO FeO Al2O3等氧化物相互取代 熔渣的表面张力变化不大 某些元素与熔体表面张力的关系 表面张力的影响因素 表面张力的计算方法 对大多数熔体体而言 可用约特沃斯方程求便面张力 M 原子量 熔体密度M 摩尔体积Tc 临界温度K 常数 熔体表面张力计算方法 当由多种氧化物构成熔渣时 熔渣的表面张力可利用加和性规则进行估算 Xi i N m 熔渣的表面张力xi 第i种氧化物的摩尔分数 i 第i物质的表面张力因子 测量法 表面张力的测定方法一般可分为动力学法和静力学法 如下表 与静力学相比动力学方法误差较大 因此通常采用静力学方法测定 对于液态金属 熔盐和炉渣 通常是使用气泡最大压力法和静滴法 测量法 一 气泡最大压力法概述 将一根毛细管垂直插入液体 向毛细管内缓慢吹入气体 毛细管端面形成一个气泡 当气泡是半球状时 气泡内的压力达到最大值 通过测量气泡形成过程中的最大压力 就可以计算液体的表面张力 原理 将毛细管插入液体 液体表面张力对毛细管有附加力 可用拉普拉斯方程计算p 1 R1 1 R2 R1 R2分别为毛细管内弯曲液面的两个主曲率半径 如果弯曲面为球形时R1 R2 R 所以p 2 R它建立了毛细附加力 曲面形状和表面张力的的关系 是测量表面张力诸方法的基础 测量法 设在密度为 1的液体中 插入半径为r的毛细管 插入深度为h1 通过毛细管向液体中吹入气体 在端部将出现一个逐渐长大的气泡 当气泡半径和毛细管半径相等时 气泡呈半球形 有最小的曲率半径和最大的毛细附加力 所以 此时将有最大的气体压力 用开口液体压力计测定气压压力 p h2g 2 式中h2为压力计液柱的高度 2为工作液体密度 气泡内最大压力将是h2g 2 2 h11 1g所以 r 2 h2 2 h1 1 g 1 测定液因为液体中个点的静压力与该点的深度成正比 这样两个不同毛细插入深度h1和h1 时分别测得气泡最大压力h2g 2和h2 g 2其差值由静压力不同引起 此时有 1 2 h2 h1 h1 h2 带 1 可计算出表面张力 测量法 实验原理及装置图 测量法 二 静滴法原理 液滴在不湿润的水平垫片上的形状如图所示它受到静压力和毛细附加力的作理论上根据液滴的质量和几何形 B状可计算出表面张力 zp对于任意一点p x y 该点的静压力为z AxP0 A B gzP点所受到的毛细附加力为 1 R1 1 R2 2x o 测量法 当液滴稳定时两力处于平衡P0 A B gz 1 R1 1 R2 在顶点处 z 0 R1 R2 b 则p0 2 b可得 1 R1 sin x 2b A B gz定义形状因子 A B gz 得 1 R1 b sin x b 2 z b若能测出R1 b x z 可以计算出 若已知 A B就可以计算出表面张力 上述几何尺寸多为液体内部尺寸 它们是无法直接测定的 为此 Bashforth和Adams做了大量的 测量法 大量的工作 将液滴的投影尺寸和内部尺寸联系起来 并编制了投影尺寸和液滴体积 形状因子相互关联的几个表格包括 表1 90 时 x z 对z照表 表2 0 180 0 1 100时 x b z b对照表 表3 x z z V b 对照表 根据这三个表格 预先对试样称x 重 并测定x z x 就可由表格计算出表面张力 步骤为 测量法 1 根据表1 由x z 找出 2 根据表2 在 90 那一行由 找出x b 确定b值3 根据表2 由x b找出 其与湿润角 互补 可以确定 值4 根据表3 由 找出V b 于是得到体积V由称重得密度 a5 根据求出的 b A即可计算出表面张力 气体密度很小 B在计算 时可忽略 测量法 三 毛细管上升法如图 平衡状态时 弯月形液面对液体所施的向上拉力为F 2 rcos 对许多液体 0 F 2 r 高度为h的液体重为 W r hg 液面的向上拉力与液体向下的力相等 2 r r hg W 弯月形液体质量 可忽略 则 rh g 2 测量法 如果液体蒸气密度不可以忽略时 公式要加以修正 rh g 0 从上述讨论可知只有当 0 此法才是严密的 校正高度 h h r 3 测量法 四 滴重法当一液滴悬浮在垂直的毛细管端时 此液滴的重量与沿毛细管管壁作用的表面张力的平衡关系为 W 2 r其中 W为液体重量 测量法 考虑到实际情况 W 2 r f r a f r a 是r V 的函数 V是液滴的体积 关系式可写成 W 2 r r V 则 W r F mg r F F代表新函数 F 1 2 r V 界面张力测定 测量界面张力的方法有静滴法 滴重法等与表面张力测定方法相同 除此之外 还广泛采用测量铁液表面上 漂浮 的渣滴形状来计算界面张力 精心将一熔渣滴放在铁液表面上 使之保双 M凸透形状 通过测量