熔体的表面张力

1、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:Nm 表面张力的影响因素 影响熔体表面张力

2、的主要因素是温度和组份。一一 温度的影响温度的影响 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

3、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

4、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： = Xii (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。动力学法动力学法毛细管波法毛细管波法振动滴法振动滴法 静力学法气泡最大压力法静滴法拉筒法悬滴法测量法一、气泡最大压力法 概述： 将一根毛细管垂直插入液体，

5、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

6、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=h2g2,，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 h2g2 =2 +h111g 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h2g2 和h 2 g2 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

7、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。 z p 对于任意一点p(x,y) 该点的静压力为 z A x P0+(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

8、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 , =0.1100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/

9、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=2rcos对许多液体=0，F=2r 高度为h的液体重为： W=rhg液面的向上拉力与液体向下的力相等： 2r = rhg+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 =r h g(- 0) 从上述讨论可知只有当=0，此法才是严密的。校正高度：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=2r 其中，W为液体重量测量法 考虑到实际情况： W=2rf(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=2r （ r/V ） 则： =(W/r)*F=(mg/r)*FF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 测量接触角计算求得界面张力