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        新型液體表面張力系數(shù)測試儀的研制

        2014-12-24 06:39:58李艷琴
        大學(xué)物理實驗 2014年5期
        關(guān)鍵詞:吊環(huán)液膜表面張力

        包 穎,李艷琴

        (大連大學(xué);遼寧 大連 116622)

        表面張力是液體表面的重要特性,它類似于固體內(nèi)部的拉伸應(yīng)力,這種應(yīng)力存在于極薄的表面層內(nèi),是液體表面層內(nèi)分子力作用的結(jié)果。液體表面層的分子有從液面擠入液內(nèi)的趨勢,從而使液體有盡量縮小其表面的趨勢,整個液面如同一張拉緊了的彈性薄膜,我們把這種沿著液體表面,使液面收縮的力稱為表面張力。作用于液面單位長度上的表面張力,稱為液體的表面張力系數(shù),測定液體表面張力系數(shù)的方法多采用拉脫法[1-2]。目前是通過手動調(diào)節(jié)螺母以升高吊環(huán)達(dá)到拉斷液膜的目的,手動旋轉(zhuǎn)螺母的快慢以及帶來液面的微小波動,會給實驗造成較大的誤差。基于此,設(shè)計了一臺新的拉脫法測量液體表面張力系數(shù)測試儀,通過調(diào)控流速,降低液面高度以達(dá)到拉脫液膜的目的,避免了手動調(diào)節(jié)帶來的誤差。通過研究流速和液體表面張力的變化關(guān)系,尋找某一流速時,所測量的表面張力系數(shù)接近于理論值。

        1 實驗原理及方法

        實驗儀器如圖1所示,在力敏傳感器的下方放置本實驗自創(chuàng)的可控流速瓶,通過流速來控制圓形吊環(huán)所處液面,達(dá)到測量液體表面張力系數(shù)的目的。該儀器采用高精度的力敏傳感器進(jìn)行力的測量,利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)將測得的力轉(zhuǎn)換成電壓信號,當(dāng)有拉力作用于力敏傳感器的彈性梁上時,計算機(jī)上即可顯示電壓值,輸出電壓與拉力成正比[3],即:

        式中,U為輸出的電壓值,F(xiàn)為力敏傳感器所受拉力,B為力敏傳感器的靈敏度。

        圖1 液體表面張力系數(shù)測試儀

        圖2 圓形吊環(huán)從液面緩提拉起受力示意圖

        將一潔凈的圓筒形吊環(huán)浸入液體中,然后緩慢地提起吊環(huán),圓筒形吊環(huán)將帶起一層液膜如圖2所示。使液面收縮的表面張力f沿液面的切線方向,角φ稱為濕潤角(或接觸角)[4]。當(dāng)繼續(xù)提起圓筒形吊環(huán)時,φ角逐漸變小而接近為零,這時所拉出的液膜的里、外兩個表面的張力f均垂直向下,設(shè)拉起液膜破裂時的拉力為F,則有:

        式中,m為粘附在吊環(huán)上的液體的質(zhì)量,m0為吊環(huán)質(zhì)量。

        因表面張力的大小與接觸面周邊界長度成正比,則有:

        式中:α為表面張力系數(shù),單位是N/m。

        聯(lián)立(3)和(4)式,則液體的表面張力系數(shù)可表示為:

        由于液膜很薄,m很小,可忽略不計,于是公式簡化為:

        液體的表面張力系數(shù)可表示為:

        式中,R內(nèi)和R外為片狀吊環(huán)的內(nèi)外半徑,U1和U2為液膜拉斷前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值[5]。

        表面張力系數(shù)α與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分等有關(guān),只要上述這些條件保持一定,α值就是一個常數(shù)。本實驗的核心部分是準(zhǔn)確測定F-m0g,即圓筒形吊環(huán)所受到向下的表面張力。

        3 結(jié)果與討論

        力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)見表1,使用Origin軟件對直線進(jìn)行擬合,可得力敏傳感器靈敏度B=0.290 V/N,擬合直線如圖3所示,由圖3可知,力敏傳感器輸出電壓與其所受到的拉力之間是線性關(guān)系[6]。

        在21.0℃時分別測量了不同流速時水和鹽水的表面張力系數(shù),根據(jù)公式(6)即可計算其表面張力系數(shù),實驗數(shù)據(jù)見表2。不同流速時,水和鹽水的表面張力系數(shù)變化曲線如圖4所示。由圖4可知,隨流速增加,表面張力系數(shù)先減小,后迅速增加,當(dāng)水的流速達(dá)到2.73 mL/s時,表面張力系數(shù)趨于穩(wěn)定,流速繼續(xù)增加,表面張力系數(shù)幾乎不變;當(dāng)流速為3.07 mL/s時,該表面張力更接近于理論值,相對誤差僅為0.02%。隨水的水的液體的表面張力趨于穩(wěn)定,該值與理論值較接近。當(dāng)流速達(dá)到3.07 mL/s時,鹽水的表面張力系數(shù)趨于穩(wěn)定,與李福星等人的研究結(jié)果較一致[7-11]。

        表1 力敏傳感器定標(biāo)數(shù)據(jù)

        圖3 力敏傳感器定標(biāo)擬合圖

        使用新研制的表面張力系數(shù)測試儀測量了水和鹽水的表面張力系數(shù),該儀器通過液體流出培養(yǎng)皿以降低液面的高度,達(dá)到拉脫液膜的目的,避免了手動降低培養(yǎng)皿平臺帶來的人為誤差。經(jīng)過分析確定了流速為3.07 mL/s時,所測量的液體表面張力系數(shù)接近于理論值。液體在不同流速時表面張力系數(shù)差別較大,在0~3.00 mL/s的流速時,因其拉膜所用的時間相對較長,液面空間受到的阻力較大,使得在這些流速下,液體的表面張力系數(shù)不穩(wěn)定,百分誤差較大;當(dāng)液體流速達(dá)到3.00 mL/s時,拉膜的所用的時間逐漸縮小,液面空間受到的阻力相對穩(wěn)定,所測量的液體表面張力系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值接近且表面張力系數(shù)的百分誤差小于1%,當(dāng)流速為3.07 mL/s時,該表面張力更接近于理論值,相對誤差僅為0.02%。

        表2 不同流速時液體的表面張力系數(shù)

        圖4 不同流速時水和鹽水的表面張力系數(shù)

        4 結(jié) 論

        研制了新型的液體表面張力系數(shù)測試儀,測量了不同流速時液體的表面張力系數(shù),該儀器通過液體流出培養(yǎng)皿以降低液面的高度,達(dá)到拉脫液膜的目的,避免了手動降低培養(yǎng)皿平臺帶來的人為誤差。經(jīng)過分析確定了流速為3.07 mL/s時,所測量的液體表面張力系數(shù)接近于理論值。隨流速增加,表面張力系數(shù)先減小,后迅速增加,當(dāng)水的流速達(dá)到2.73 mL/s時,表面張力系數(shù)趨于穩(wěn)定,流速繼續(xù)增加,表面張力系數(shù)幾乎不變;當(dāng)流速為3.07 mL/s時,該表面張力更接近于理論值,相對誤差僅為0.02%。隨水的水的液體的表面張力趨于穩(wěn)定,該值與理論值較接近。當(dāng)液體流速達(dá)到3.00 mL/s時,拉膜的所用的時間逐漸縮小,液面空間受到的阻力相對穩(wěn)定,所測量的液體表面張力系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值接近且表面張力系數(shù)的百分誤差小于1%。

        [1]李學(xué)慧.大學(xué)物理實驗[M].北京:高等教育出版社,2005.

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