薄板法测量液体表面张力系数的方法技术

薄板法测量液体表面张力系数的方法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。技术方案是：固定铅笔杆并使铅笔前端的圆柱橡皮擦的下表面水平，选择合适的橡皮擦的直径d使液滴上端呈现为圆柱形，读出容积刻度V1；步骤1，推动芯杆使水平的橡皮擦表面湿润，步骤2，针头前端接触橡皮擦下端表面，缓慢推动芯杆增大液滴体积使液体滴落；步骤3，用吸水纸接触橡皮擦下端表面；然后移出吸水纸；重复步骤2

【技术实现步骤摘要】
薄板法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：γ=mg/（2πR），其中γ为液体表面张力系数（部分文献使用α代替γ），mg为滴落液滴的重量，其中mg为滴落液滴的质量，g为重力加速度；π为圆周率；R为液体上端的圆形薄板半径。
[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
‑
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mg与该液体的表(界)面张力g、截面半径R之间具有如下关系：g=Fmg/R= FVgρ
r
/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; ρ
r
为液体与介质的密度之差(介质通常为空气)。实验测得质量m或者V后，可由V/R3查表得校正因子F,再代入γ=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，液滴开始从圆形薄板下端断裂滴落，在滴落的过程中，部分液体残留在圆形薄板下方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，本专利技术设计薄板法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：薄板法测量液体表面张力系数的方法，固定铅笔杆并使铅笔前端的圆柱橡皮擦的下表面水平，包括针管，针管由内筒和外筒组成，内筒又称为芯杆，其特征是：选择合适的橡皮擦的直径d使液滴上端呈现为圆柱形；测量橡皮擦的直径d；针管外筒外侧有容积刻度，芯杆前端的橡胶活塞为读数参考线，使用内径0.45mm的针头，推动芯杆使针头出水，读出容积刻度V1；需要说明的是：对于水而言，橡皮擦表面与水之间不是完全不浸润，即水滴在橡皮擦表面不会呈现球形；橡皮擦表面与水之间也不是完全浸润，即水滴在橡皮擦表面也不会发生扩散；水滴在橡皮擦表面上方时，橡皮擦表面的水滴接近半球形；步骤1，推动芯杆使水平的橡皮擦表面湿润，即推动芯杆使少量液体粘附在橡皮擦
表面，然后移动针头使液体在橡皮擦表面涂抹均匀；或者，采用湿毛巾擦拭，使橡皮擦表面表面粘附一层水膜，湿毛巾是指手指尖裹着毛巾、手指尖浸入液体中、然后手指取出、指尖上端外侧毛巾擦拭橡皮擦表面；对于不能采用手指接触的液体，则可以采用一个塑料棒，塑料棒的前端粘附能够吸湿液体的泡沫，泡沫吸收液体后，使泡沫上端接触橡皮擦表面；步骤2，针头前端接触橡皮擦下端表面，缓慢推动芯杆增大液滴体积（质量）使液体滴落，缓慢是指产生一个液滴（滴落的液体）在20
‑
30秒、并且平稳用力使芯杆前端的活塞匀速运动，液体滴落后立即停止推动芯杆；步骤3，用吸水纸接触橡皮擦下端表面；吸水纸吸收液体后，由于吸水纸本身是湿润的，所以橡皮擦表面也是湿润的；然后移出吸水纸；重复步骤2
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3，使液滴滴落数n为10
‑
20滴，然后读取容积刻度V2，则πdα=ρ[(V1
‑
V2)/n]g，即表面张力系数α=ρ(V1
‑
V2)g/(nπd);其中，ρ为液体的密度，g为重力加速度。
[0009]液体为水，d为4
‑
6mm。即为了使水滴滴落前上端呈现圆柱形，d的优选参数为4
‑
6mm。水与橡皮擦表面不浸润，但是橡皮擦表面也不是完全不浸润，即橡皮擦表面能够残留部分水形成水膜。
[0010]本专利技术的有益效果是：合理选择针橡皮擦直径，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，刚好与重力方向相反；从而不需要测量接触角），使测量过程简化；同时擦拭吸走残留液体（或者采用另外一只针管的针头吸走液体，针头内径最好为0.45mm），避免滴重法液体残留带来的误差；本专利技术测量原理完善，并且简单易懂；可操作性强，能够作为学生实验仪器使用。有利于学生加深对表面张力的理解，并了解表面张力的作用原理。是对现有滴重法测量技术的完善：残留液体部分的重量应该计算在液滴重量之中。
附图说明
[0011]图1为薄板法测量液体表面张力系数的方法示意图。
具体实施方式
[0012]为实现Tate的想法，需要解决2个问题：（1）接触角的问题，为避免接触角的影响，则需要选择合适的圆形薄板直径，使得液滴上端呈现圆柱形；（2）解决液滴残留问题。
[0013]第一个问题：解决接触角问题：与水不浸润的水管内径（或者薄板直径）为d（半径为 r=d/2），表面张力系数为α，当前温度液体的密度r，为了使液滴的上端呈现圆柱形状，则2πrα>ρ*V*g，其中V为球体积=4/3πr3，则r<[3α/(2ρg)]0.5
，其中g为重力加速度。比如室温100摄氏度（随着温度升高，表面张力系数变小），100摄氏度水的表面张力系数为5.8896*10
‑2N/m，g取9.8N/kg，ρ=103kg/m3，则r<3.3mm。
[0014]在液体与水管（或者薄板，或者圆环）浸润的时候，则液体的上端与表面浸润扩散，形成上端大（浸润扩散形成）和下端大，中间小，由于是旋转体，此时，液滴存在一个最小直径d（中间最细小位置的直径，此处表面的切线竖直，接触角为0），最小直径d决定了能够束缚液滴的重量大小（π*d*α=mg，此处的m为最小直径下方的液体的质量，g为重力加速度，由
于是最小直径，所以接触角为0）。随着液滴质量发生改变，最小直径d也会发生改变，因此不便于操控。
[0015]当水温在100摄氏度时、水管的内径（或者薄板直径）d>3.3mm*2=6.6mm（液体为水），则水管口不能够束缚大于或者等于水管口内径的水滴，水量少的时候，液滴呈现为球冠，逐渐增加水量注入，由于水管口不能够束缚大于或者等于水管口内径的水滴，则前端的水滴逐渐向球形转变，呈现中间部分凹陷，此时也会形成上端和下端大、中间小的形状，中间最小位置对应的直径称为d。由于液滴下落瞬间完成，所以也不便于操控。
[0016]当水管（或者薄板）和液体不浸润的时候，当水管口的内径小于某一个特定值（水，小于2*本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.薄板法测量液体表面张力系数的方法，固定铅笔杆（1）并使铅笔前端的圆柱橡皮擦（2）的下表面水平，其特征是：选择合适的橡皮擦的直径d使液滴上端呈现为圆柱形；测量橡皮擦的直径d；针管外筒（3）外侧有容积刻度，芯杆（4）前端的橡胶活塞为读数参考线，使用内径0.45mm的针头（5），推动芯杆使针头出水，读出容积刻度V1；步骤1，推动芯杆使水平的橡皮擦表面湿润，即推动芯杆使少量液体粘附在橡皮擦表面，然后移动针头使液体在橡皮擦表面涂抹均匀；步骤2，针头前端接触橡皮擦下端表面，缓慢推动芯杆使液体从橡皮擦下方滴落，缓慢是指产生一个液滴在20
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30秒，液体滴落后立即停止推动芯...

【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：