CN104390888B - 空心圆柱排液体测量液体表面张力系数的方法 - Google Patents
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Abstract
空心圆柱排液体测量液体表面张力系数的方法涉及物理参数的测量，技术方案是：一个空心圆柱，空心圆柱的底部密封、上端开口，其外部半径为R，空心圆柱的平均密度为液体密度的0.5‑0.8倍；向溢水槽注入液体，当导流沟的末端停止滴液体时，测量水杯的质量m1，然后将水杯放置在导流沟的末端正下方；测量空心圆柱的质量m，将空心圆柱缓慢地放入到溢水槽内，等到导流沟末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯的质量m2，则液体的表面张力系数σ=[m‑(m2‑m1)]*g/(2πR)。有益效果是：本发明的结构简单，成本低廉，操作容易。
Description
技术领域
本发明涉及物理参数的测量，特别是液体表面张力系数的测量。
背景技术
测量液体表面张力系数的方法常见的有：最大气泡压法，毛细管法，拉脱法等，测量方法要么装置比较复杂，比如最大气泡压法、拉脱法；要么测量的精度不高，毛细管法虽然简单，但是液面弯曲，测量液柱的高度不够准确，由于毛细管外侧的液面也沿着毛细管外侧的管壁上升，因此，在确定液面的水平位置的坐标值比较困难，从而导致确定毛细管内侧的液柱的高度差比较困难。
发明内容
本发明提出一种新型的表面张力测量方法。
技术方案是：空心圆柱排液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是：一个空心圆柱，其外部半径为R，其底部有密封底板密封、上端密封或者开口，空心圆柱内部的壁为下端厚、上端薄，目的也就是其重心向空心圆柱的下端偏移，形变发生在空心圆柱的内侧，空心圆柱的外侧轮廓为一个标准的圆柱形状；空心圆柱的底部密封、上端开口，上端开口称为空心圆柱口，或者上端密封，在上端做一个标记，也称为空心圆柱口；空心圆柱的平均密度为空心圆柱的质量m与空心圆柱所围成的体积πR2*h相除，其中h为空心圆柱（1）的高，平均密度=m/(πR2*h )，空心圆柱的平均密度为液体密度的0.5-0.8倍，此处的液体密度指一个标准大气压下维持液态的最大密度；一个溢水槽，向溢水槽注入液体，直到溢水槽上端边缘的导流沟有液体溢出到导流沟下端的水杯，导流沟的末端向下弯曲，有利于溢水槽溢出的液体流到水杯内，当导流沟的末端停止滴液体时，将水杯内的液体转移到储液罐，测量水杯的质量m1，然后将水杯放置在导流沟的末端正下方；测量空心圆柱的质量m，使空心圆柱口朝上，将空心圆柱缓慢地放入到溢水槽内，缓慢放入的速度要确保液面不会出现波浪和导流沟末端不会出现液体喷射，随着空心圆柱缓慢放入溢水槽，导流沟的末端有液体流入到水杯，最后放开空心圆柱让空心圆柱浮在液面上，等到导流沟末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-m1)]*g，其中g为重力加速度；空心圆柱的外部接触液体，此表面张力为σ*（2πR），其中σ为液体的表面张力系数，则[m-(m2-m1)]*g = σ*（2πR），即σ=[m-(m2-m1)]*g /( 2πR) 。
有益效果是：一个空心圆柱内部的下端厚、上端薄，或者空心圆柱的密封底板相对于空心圆柱壁而言，比较厚，使空心圆柱的重心向空心圆柱的下端偏移，有利于增强其稳定性，减少其放入液体中产生的摇晃；相对于现有技术的难调节、高成本，本发明的结构简单，成本低廉，操作容易。
附图说明
图1是空心圆柱示意图，图2空心圆柱纵剖示意图，图3是溢水槽和水杯示意图。
其中，1、空心圆柱，2、空心圆柱口，3、溢水槽，4、导流沟，5、水杯。
具体实施方式
一个空心圆柱1，其外部半径为R，其底部有密封底板密封、上端密封或者开口，空心圆柱1内部的壁为下端厚、上端薄，也可以简化为空心圆柱1的密封底板相对于空心圆柱的壁较厚，形变发生在空心圆柱的内侧，空心圆柱的外侧轮廓为一个标准的圆柱形状，如图2所示，目的也就是其重心向空心圆柱1的下端偏移，其侧面下端材料的厚度为侧面上端材料的2-5倍厚，空心圆柱1的底部密封、上端开口，上端开口称为空心圆柱口2，如果上端密封，则在上端做一个标记，也称为空心圆柱口2，以便于标记其密度分布，空心圆柱1的平均密度为空心圆柱1的质量m与空心圆柱1所围成的体积πR2*h相除，其中h为空心圆柱1的高，平均密度=m/(πR2*h )，空心圆柱1的平均密度小于液体的密度，最佳取值在液体密度的0.5-0.8倍，由于液体密度随着温度变化有较大变化，随着压强变化相对较小，此处的液体密度指一个标准大气压下维持液态的最大密度。
一个溢水槽3，向溢水槽3注入液体，直到溢水槽3上端边缘的导流沟4有液体溢出到导流沟下端的水杯5，导流沟4的末端向下弯曲，有利于溢水槽3溢出的液体流到水杯5内。当导流沟4的末端停止滴液体时，将水杯的液体转移到储液罐（量少也可以不转移），测量水杯5的质量m1，然后将水杯5放置在导流沟4的末端正下方；测量空心圆柱1的质量m，使空心圆柱口2朝上、将空心圆柱1缓慢地放入到溢水槽3内，缓慢放入的速度是为了确保液面不会出现波浪和导流沟4末端不会出现液体喷射，随着空心圆柱1的缓慢放入溢水槽3，导流沟4的末端有液体流入到水杯，最后放开空心圆柱1让空心圆柱1浮在液面上，等到导流沟4末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯5的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-m1)]*g，其中g为重力加速度。
对于表面张力的理解，一个物体漂浮在液面上，其浮力等于物体的重量，由于表面张力的作用，对于能够被液体浸润的物体，液体会有一部分粘附于物体表面，其排开的液体体积应该是液面以下的部分，本处的液面不是指与物体接触处的液面（该处液面弯曲），而是远离接触处的液面（水平面）。排开的体积V与液体密度ρ相乘ρ*V与物体的质量m相等，但是由于表面张力的作用，一部分液体高于液面并粘附在物体上，在本发明中，这部分液体不能通过导流沟4流出，该部分的质量为m-(m2-m1)。
由于空心圆柱1的外部接触液体，因此表面张力为σ*（2πR），则[m-(m2-m1)]*g = σ*（2πR），即表面张力系数σ=[m-(m2-m1)]*g /( 2πR)。
对于纯水，20摄氏度的表面张力系数为0.073N/m，其中N/m为牛顿/米，如果R取10.00cm，h取3.00cm，平均密度取0.5g/cm3，则m=471克，表面张力为σ*（2πR）=0.046N，大约相当于4.6克质量所受的重力(此处的重力加速度取10N/Kg)，因此m-(m2-m1)=4.6克，在当今的实验室的电子天平或者其它天平都能够测量这样的一个差值（4.6克），比如，在网络上能够查询到，电子精密天平-JH3102，量程：3100g，精度：10mg（即0.01克），因此，本发明具有可实施性。
Claims (1)
1.空心圆柱排液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是：一个空心圆柱（1），其外部半径为R，其底部有密封底板密封、上端密封或者开口，空心圆柱（1）内部的壁为下端厚、上端薄，目的也就是其重心向空心圆柱（1）的下端偏移，形变发生在空心圆柱的内侧，空心圆柱（1）的外侧轮廓为一个标准的圆柱形状；空心圆柱（1）的底部密封、上端开口，上端开口称为空心圆柱口（2），或者上端密封，在上端做一个标记，也称为空心圆柱口（2）；空心圆柱（1）的平均密度为空心圆柱（1）的质量m与空心圆柱（1）所围成的体积πR2*h相除，其中h为空心圆柱（1）的高，平均密度=m/(πR2*h )，空心圆柱（1）的平均密度为液体密度的0.5-0.8倍，此处的液体密度指一个标准大气压下维持液态的最大密度；一个溢水槽（3），向溢水槽（3）注入液体，直到溢水槽（3）上端边缘的导流沟（4）有液体溢出到导流沟下端的水杯（5），导流沟（4）的末端向下弯曲，有利于溢水槽（3）溢出的液体流到水杯（5）内，当导流沟（4）的末端停止滴液体时，将水杯（5）内的液体转移到储液罐，测量水杯（5）的质量m1，然后将水杯（5）放置在导流沟（4）的末端正下方；测量空心圆柱（1）的质量m，使空心圆柱口（2）朝上，将空心圆柱（1）缓慢地放入到溢水槽（3）内，缓慢放入的速度要确保液面不会出现波浪和导流沟（4）末端不会出现液体喷射，随着空心圆柱（1）缓慢放入溢水槽（3），导流沟（4）的末端有液体流入到水杯，最后放开空心圆柱（1）让空心圆柱（1）浮在液面上，等到导流沟（4）末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯（5）的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-m1)]*g，其中g为重力加速度；空心圆柱（1）的外部接触液体，此表面张力为σ*（2πR），其中σ为液体的表面张力系数，则[m-(m2-m1)]*g = σ*（2πR），即σ=[m-(m2-m1)]*g /( 2πR) 。
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