液滴法测量液体表面张力系数的方法技术

液滴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。液滴法测量液体表面张力系数的方法，其特征是：选择合适的圆形薄板的直径d，使液滴上端呈现圆柱形；测量圆形薄板的直径d，直接测量圆形薄板下方粘附的液滴刚刚滴落前的质量m，则表面张力系数α=mg/(πd)，其中g为重力加速度，π=3.1416。使液滴的上端为圆柱形，可以忽略接触角的影响。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。高温液体的挥发不影响测量的精度。液体的挥发不影响测量的精度。液体的挥发不影响测量的精度。

【技术实现步骤摘要】
液滴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γ、截面半径R之间具有如下关系：γ=Fmg/R= FVρ
r g/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方边缘断裂滴落，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，本专利技术设计液滴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：液滴法测量液体表面张力系数的方法，其特征是：选择合适的圆形薄板的直径d，使液滴上端呈现圆柱形；测量圆形薄板的直径d，直接测量圆形薄板下方依附（粘附）的液滴刚刚滴落前的质量m，则表面张力系数α=mg/(πd)，其中g为重力加速度。
[0009]测量圆形薄板的质量m1，然后在圆形薄板的下方注入液体，并使圆形薄板下方的液体均匀分布，继续缓慢注入液体并留意电子秤的读数，缓慢是指产生一个液滴滴落在10
‑
20秒，直到液滴滴落时，记录下观察到的电子秤显示的极值m2；测量圆形薄板的直径d，则m= ABS（m1
‑
m2），表面张力系数α=m g/(πd)，其中ABS是指取m1
‑
m2的绝对值，π为圆周率 ，取3.1416。
[0010]液体为水。对于液体为水的时候，合适的圆形薄板的直径d为5
‑
6mm。
[0011]本专利技术的有益效果是：合理选择圆形薄板的直径，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；直接测量液滴的质量，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。对于室温（20摄氏度），水的表面张力系数为7.28*10
‑2N/m，则直径5mm对应的表面张力（3.1416*d*7.28*0.01）所能够承受的液滴重量(mg)对应的质量m=116.6毫克，现有的电子秤能够达到0.1毫克的精度，因此具备可行性。本专利技术是记录液滴刚刚滴落前的读数（即电子秤在液滴滴落前的极大值或者极小值，附图1为极大值，附图2为极小值），即是电子秤的极值（极大值或者极小值，与仪器的连接有关），悬挂在拉力计下方测量重力或者直接测量质量（附图1）、记录极大值，通过杠杆测量力的变化、记录极小值（附图2）。由于液体的注入比较慢，本专利技术属于静力学测量范畴。本专利技术客服了现有技术采用修正的方法解决残留液体的方法。由于高温液体易于挥发，导致滴重法的液滴质量减少，本专利技术由于直接测量液滴的重量（质量），测量的是瞬态的读数，高温液体的挥发不影响测量的精度。
附图说明
[0012]图1为直接测量液滴质量实现液体表面张力系数的测量；图2为通过杠杆改变力的方向实现液体表面张力系数测量方法示意图。
具体实施方式
[0013]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。
[0014]第一个问题：解决接触角问题：与水不浸润的水管内径（或者圆形薄板直径）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ρ，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<[3 α /(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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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*3.3mm）的时候，随着液滴质量的增加，液体的上端呈现为圆柱形，圆柱形的直径为水管口的内径，为简化描述，内径还是采用字母d表示（因为呈现圆柱形，接触角为0）。
[0018]实验观察发现，采用针管或者针管前端套接针头（针头切除本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.液滴法测量液体表面张力系数的方法，其特征是：选择合适的圆形薄板的直径d，使液滴上端呈现圆柱形；测量圆形薄板的直径d，直接测量圆形薄板下方粘附的液滴刚刚滴落前的质量m，则表面张力系数α=mg/(πd)，其中g为重力加速度，π为圆周率，取π=3.1416。2.根据权利要求1所述的液滴法测量液体表面张力系数的方法，其特征是：测量圆形薄板的质量m1，然后在圆形薄板的下方注入液体，并使圆形薄板下方的液体均匀分布，继续缓慢注入液体并留意电子秤的读数，缓慢是指产生...

【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：