使用针管测量液体表面张力系数的方法技术

使用针管测量液体表面张力系数的方法涉及液体物理参数的测量针管由内筒和外筒组成，内筒也称为芯杆，针管外筒透明，针管外筒内侧有容积刻度；固定针管外筒，使针管外筒下端开口水平，针管外筒下端开口内径为d；芯杆前端有橡胶活塞；选择合适针管外筒下端开口使滴落前，液滴的上端呈现圆柱形，液体与针管不浸润；缓慢旋转活塞推动液体滴落10

【技术实现步骤摘要】
使用针管测量液体表面张力系数的方法


[0001]本专利技术涉及液体物理参数的测量，特别是滴重法测量表面张力系数的改进。

技术介绍

[0002]Tate在1864年提出滴重法测量液体的表面张力系数：α=mg/（2πR），其中α为液体表面张力系数，mg为滴落液滴的重量，其中m为滴落液滴的质量，g为重力加速度；π为圆周率；R为液体上端的圆环半径。
[0003]滴重法测量液体的表面张力系数的方法，参见“滴体积(滴重)法校正因子的经验式 张兰辉 北京大学化学系 第7卷第6期 大学化学1992年12月p43
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44”，其基本原理是：“半径为R的圆形截面在平衡时所能维持的最大液滴重量m与该液体的表(界)面张力g、截面半径R之间具有如下关系：α=Fmg/R= FVρrg/R；式中g为重力加速度;F为校正因子,它是V/R3的函数,与表面张力、滴管材料、液体密度、粘度等因素无关;V为液滴的体积; ρr为液体与介质的密度之差(介质通常为空气)。实验测得m或者V后，可由V/R3查表得校正因子F,再代入α=Fmg/R计算表(界)面张力值。”该方法的主要麻烦是计算V/R3，以及需要查表获取校正因子F，所以计算过程也比较繁琐。
[0004]滴重法的主要问题在于：随着液体的注入，液滴的重力大于表面张力，液滴开始从针管外筒下端开口断裂滴落，在滴落的过程中，部分残留在针管外筒下端开口形成接近半球形的液滴，这部分残留的液滴导致滴落液体的质量减少，所以需要修正，否则将的导致测量结果偏小。
[0005]同时，如果液滴的上端为圆环，则存在液滴滴落前圆环内侧液面凹陷，液滴滴落后回弹的现象。
[0006]由于滴重法采用对结果进行修正的方式，就说明滴重法的对Tate理论的理解以及实验操作都存在不完善的地方。

技术实现思路

[0007]为增加滴重法的精度从而避免对测量结果进行修正，本专利技术设计使用针管测量液体表面张力系数的方法。
[0008]本专利技术实现专利技术目的采用的技术方案是：使用针管测量液体表面张力系数的方法，针管由内筒和外筒组成，内筒也称为芯杆，针管外筒透明，针管外筒内侧有容积刻度（现有针管都有容积刻度，一般在外筒的外侧）；固定针管外筒，使针管外筒下端开口水平，其特征是：针管外筒下端开口内径为d；芯杆分成三段，分别为前段、中段和后段，每段分别占总长的1/3，前端外径小于中段，中段外径小于后段，以便于中段布置外螺纹；芯杆中段外螺纹连接外筒内螺纹；芯杆前段与外筒内侧平滑接触，这一部分（芯杆前段和外筒内侧前段）形成针管的有效容积；芯杆前端有橡胶活塞；选择合适针管外筒下端开口使滴落前，液滴的上端呈现圆柱形，液体与针管不浸润，液滴上端直径d为针管外筒下端开口内径，液滴上端圆柱形的直径与针管外筒下端开口内径相同；缓慢旋转活塞推动液体滴落10
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15滴；每次液滴
滴落后，移出针管外筒下端开口处突出的液体，使液面与针管下端开口平面平齐；则2πr
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=ρVg，即
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=ρVg/(2πr)= ρVg/(πd)，其d为针管外筒下端开口内径，其中p为圆周率，π=3.1416，r=d/2，ρ为液体的密度，V所以滴落液体消耗的液体的体积（V等于所有液滴消耗的容积除以液滴的个数），g为重力加速度。
[0009]液体为水，d为2
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5mm。针管芯杆后段外侧有一个游标，游标为圆环形刻度；游标与外筒内侧后段（外筒内侧前段和中段没有刻度，与内筒相同，外筒的前段长度与内筒前段长度相等，外筒的中段长度与内筒中段长度相等）的容积刻度组成一个游标卡尺；容积刻度简称为主尺。主尺刻度和游标刻度采用不同的颜色。
[0010]使用针管测量液体表面张力系数的方法，固定针管，使针管外筒下端开口所在平面水平（接触可移动水平平面能够确保确保针管外筒下端开口处于水平，水平平面通过水平仪确定），其特征是：针管手柄（芯杆，也称为内筒）上部末端为一圈齿轮A，齿轮A齿合齿轮B，齿轮A的齿数是齿轮B的10倍，旋转齿轮B 转动10圈能够使齿轮A转动一圈，从而使齿轮A所连接的针管手柄（芯杆）前端的活塞向下推动一个螺距；选择合适的针管外筒下端开口内径，使液滴的上端呈现圆柱形状；液滴滴落前测量液滴上端圆柱形的直径d（利用牛顿环的读数显微镜，将显微镜替换为水平方向的显微镜或者望远镜，观察并定位液滴上端左侧，读取x1，然后移动并定位到液滴上端右侧，读取x2，则液滴上端圆柱形的直径d为x2
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x1）；针管外筒透明，针管外筒内侧有容积刻度；针管连接针头的针管外筒下端开口内径为d；芯杆外螺纹连接外筒内螺纹；芯杆前端有橡胶活塞；缓慢旋转活塞推动液体滴落10
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15滴(与针管的容量有关，d=2.00mm，1mL水大致能够实现20滴液滴)；每次液滴滴落后，移出针管前端开口处突出的液体，使液面与针管前端开口平面水平，滴落前液滴的上端呈现圆柱形，圆柱形的直径与内径相同；则2πrα=ρVg，即
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=ρVg/(2πr)= ρVg/（πd)，其d内径，其中π为圆周率，π=3.1416，r=d/2，ρ为液体的密度，V为滴落液体消耗的液体体积除以液滴个数，所以V包含了外筒下端开口的残留液体，g为重力加速度。
[0011]液体与针管不浸润，液滴上端直径d为针管外筒下端开口的内径。液体为水，针管外筒下端开口的内径为3
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5mm。活塞直径为5mm（即外筒内径为5mm），螺距为0.5mm（实验室用螺旋测微仪的螺距一般为0.5mm）。根据2πrα=mg，在室温20摄氏度（α=0.0728N/m），液体为水的情况下，m=π（d/2）2hρ，在r=3/2=1.5mm时，则h=0.35cm，即大致齿轮A可以转动7圈实现滴落一颗液滴；对于在r=5/2=2.5mm时，则h=0.59cm，即大致齿轮A可以转动12圈实现滴落一颗液滴；这样可以通过缓慢旋转齿轮B确保液滴平稳变化。
[0012]螺距可以增加到1mm。液滴滴落主要需要在滴落前稍微缓慢一些，根据实验经验，在即将滴落前，转动齿轮B缓慢一些，比如1分钟转动1
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2圈齿轮B。人的反应速度大致在0.1秒，在液滴明显变形（液滴上端原先为圆柱形，靠近针管外筒下端开口圆柱形出现凹陷，则为明显变形，液滴滴落，液滴滴落的过程一般很快，从感觉上大致在0.1秒左右），即停止转动齿轮B，液滴变形后，则由于上端（直径）变小，能够提供的表面张力减少，则液滴必然滴落。
[0013]本专利技术的有益效果是：依靠活塞的摩擦以及芯杆(手柄)与针管外筒内部的螺纹之间摩擦实现（克服器械的重力作用）活塞能够在任何位置静止不动；由于液体处于活塞与针管外筒下端开口之间，活塞与针管外筒下端开口之间的液体处于密封状态，不存在圆环内侧液面在液滴滴落后的回弹现象；通过合理选择针管外筒下端开口的管径（内径），使液滴
的上端为圆柱形，这是在实验过程中能够观察到的实验事实，这样可以忽略接触角的影响（此时的接触角为0，表面张力的方向竖直向上，刚好与重力方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.使用针管测量液体表面张力系数的方法，针管由内筒和外筒组成，内筒也称为芯杆，针管外筒透明，针管外筒内侧有容积刻度；固定针管外筒，使针管外筒下端开口（4）水平，其特征是：针管外筒下端开口（4）内径为d；芯杆分成三段，分别为前段、中段和后段，每段分别占总长的1/3，前端外径小于中段，中段外径小于后段，以便于中段布置外螺纹；芯杆中段外螺纹连接外筒内螺纹；芯杆前段与外筒内侧平滑接触，这一部分形成针管的有效容积；芯杆前端有橡胶活塞；选择合适针管外筒下端开口（4）使滴落前，液滴的上端呈现圆柱形，液体与针管不浸润，液滴上端直径d为针管外筒下端开口内径，液滴上端圆柱形的直径与针管外筒下端开口（4）内径相同；缓慢旋转活塞推动液体滴落10
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15滴；每次液滴滴落后，移出针管外...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐雅雯，胡再国，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：