针管滴落液滴实现测量表面张力系数的方法技术

针管滴落液滴实现测量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。固定针管，使下端针管开口所在平面水平，针管手柄（芯杆）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；选择合适的针管开口内径，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

【技术实现步骤摘要】
针管滴落液滴实现测量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：g=mg/（2pR），其中g为液体表面张力系数（部分文献使用a代替g），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；p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
‑
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：g=Fmg/R= FVDrg/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; Dr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g=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，液滴开始从针管口断裂滴落，在滴落的过程中，部分水滴残留在针管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。

技术实现思路

[0006]为增加滴重法的精度从而避免对测量结果进行修正，本专利技术设计针管滴落液滴实现测量表面张力系数的方法。
[0007]本专利技术实现专利技术目的采用的技术方案是：针管滴落液滴实现测量表面张力系数的方法，固定针管，使下端针管开口所在平面水平（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）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所连接的针管手柄前端的活塞向下推动一个螺距，通过旋转齿轮B，通过齿轮B齿合齿轮A，从而使活塞向下移动，实现平稳和缓慢移动活塞，使液滴在滴落前能够平稳增大；选择合适的针管开口内径，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
min
（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
min
为x2
‑
x1）；在针管下方接住滴落的液滴，并测量液滴的质量m1；在液滴滴落时停止转动齿轮B，测量针头针管的质量m0，使用针头将针管端突出的液滴吸走使液面与针管开口齐平，测量针头针管以及
其中的液体的质量m2，则针头针管内的液体的质量为m2‑
m0；液体的表面张力系数为
훂
=（m1+m2‑
m0）*g/(p*D
min
)，其中g为重力加速度。
[0008]液体与针管不浸润，液滴上端直径D
min
为针管下端开口的内径。液体为水，针管下端开口的内径为3
‑
5mm。活塞直径为5mm，螺距为0.5mm。
[0009]液体为水，针管下端开口的内径为3
‑
5mm。活塞直径为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2pr
훂
=mg，在室温20摄氏度（
훂
=0.0728N/m），液体为水的情况下，m=p（d/2）2hr，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。
[0010]螺距可以增加大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，转动转齿轮B缓慢一些，比如1分钟转动1
‑
2圈转齿轮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。
[0011]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下端开口之间，活塞与针管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，刚好与重力方向相反；从而不需要测量接触角），使测量过程简化；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；有效避免了悬滴法繁杂的计算和大型昂贵设备的使用。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。本专利技术液滴上端圆柱形的直径能够采用悬滴法的图像获取技术测量，也能够采用平行光使液滴成像在坐标纸或者坐标分划板测量，也能够采用牛顿环的读数显微镜进行测量；液滴上端圆柱形的直径，在液体与针管不浸润的情况下 ，液滴上端的直径与针管开口端的内径相等，在液滴增大的过程，主要是液滴圆柱形的长度（高度）变长而已，因此可以在液滴滴落前、圆柱形已经出现的任何时候进行测量，甚至可以简化为测量针管开口端的内径。
附图说明
[0012]图1为针管滴落液滴实现测量表面张力系数的方法示意图。
具体实施方式
[0013]与水不浸润的水管内径为d，半径为 r=d/2，表面张力系数为
훂
，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2p r 훂
>r*V*g，其中V为半球体积=4/3p r3，则r<[3 훂 /(2rg)]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，r=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Dmin（中间最细小位置的直径），最小直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.针管滴落液滴实现测量表面张力系数的方法，固定针管，使下端针管开口（4）所在平面水平，其特征是：针管手柄（1）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，即齿轮B 转动10圈能够使齿轮A转动一圈，从而使齿轮A所连接的针管手柄前端的活塞（2）向下推动一个螺距（3）；选择合适的针管开口（4）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
min
；在针管下方接住滴落的液滴，并测量液滴的质量m1；在液滴滴落时停止转动齿轮B，测量针头针管的质量m0，使用针头将针管端突出的液滴吸走使液面与针管开口齐平，测量针头针管以及其中的液体的质量m2，则针头针管内的...

【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：