CN104406890B - 空心圆筒排液体测量液体表面张力系数的方法 - Google Patents
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Abstract
空心圆筒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：一个空心圆筒，其外侧半径为R外、内侧半径为R内，空心圆筒的平均密度为液体密度的0.5‑0.8倍；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，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；测量空心圆筒的质量m，将空心圆筒缓慢地放入到溢水槽内，导流沟的末端有液体流入到水杯，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/[2*π*(R内+R外)]，其中g为重力加速度。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：空心圆筒排液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是：空心圆筒由具有共同中心轴线的内、外两个圆筒组成，内侧圆筒的半径为R内，外侧圆筒的半径为R外，两个圆筒之间为空腔，空腔的上端和下端密封，空腔为一个倒置的三角形，上端为三角形的底边、下端为三角形的顶点，在空心圆筒材料较薄的一端做一个标记，称为空心圆筒口；空心圆筒的平均密度，平均密度为空心圆筒的质量m与空心圆筒所围成的体积（πR外 2-πR内 2）*h相除，其中R外为空心圆筒的外径，R内为空心圆筒的内径，h为空心圆筒的高，平均密度=m/[(πR外 2-πR内 2）*h]，空心圆筒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；测量空心圆筒的质量m，使空心圆筒口朝上、将空心圆筒缓慢地放入到溢水槽内，缓慢放入的目的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，随着空心圆筒的缓慢放入溢水槽，导流沟的末端有液体流入到水杯，最后放开空心圆筒让空心圆筒浮在液面上，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；空心圆筒的内部和外部均接触液体，表面张力为σ*（2*π*R内+2*π*R外），其中σ为表面张力系数，则[m-(m2-m1)]*g = σ*（2*π*R内+2*π*R外），即σ=[m-(m2-m1)]*g /[ 2*π*(R内+R外)]。
有益效果是：一个空心圆筒壁下端厚、上端薄，管壁内部有一个倒置的三角形空腔，使其重心向空心圆筒的下端偏移，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是空心圆筒示意图，图2空心圆筒纵剖示意图，图3是溢水槽和水杯示意图。
其中，1、空心圆筒，2、空心圆筒口，3、溢水槽，4、导流沟，5、水杯。
具体实施方式
一个空心圆筒1，由具有共同中心轴线的内外两个圆筒组成，内侧圆筒的内径为D内、半径R内=D内/2，外侧圆筒的外径为D外、半径R外=D外/2，两个圆筒之间为空腔，空腔的上端和下端密封，空心圆筒1壁下端厚、上端薄（其形变发生在空腔内，在空腔外为标准的圆筒形状），如图2所示，也就是其重心向空心圆筒1的下端偏移，其下端材料的厚度为上端材料的2-5倍厚，在空心圆筒1的纵剖示意图形成一个倒置的三角形空腔（上端为三角形的底边、下端为三角形的顶点），如图2所示；由于空心圆筒1的上端和下端的管壁材料的厚度不一样，因此有必要在空心圆筒材料较薄的一端做一个标记，称为空心圆筒口2，其外侧半径为R外、内侧半径为R内，由于是圆筒，也就是空心圆筒口2所在的圆环的外侧圆半径为R外、内侧圆半径为R内。空心圆筒1的平均密度为空心圆筒1的质量m与空心圆筒1所围成的体积（πR外 2-πR内 2）*h相除，其中h为空心圆筒1的高，平均密度=m/[(πR外 2-πR内 2）*h]，空心圆筒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(量较少也可以不转移)，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；测量空心圆筒1的质量m，使空心圆筒口2朝上、将空心圆筒1缓慢地放入到溢水槽3内，缓慢放入的目的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，随着空心圆筒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，最后放开空心圆筒1让空心圆筒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（液体水平面）。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的高度并粘附在物体上，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)。
由于空心圆筒1的内部和外部均接触液体，因此表面张力为σ*（2*π*R内+2*π*R外），则[m-(m2-m1)]*g = σ*（2*π*R内+2*π*R外），即σ=[m-(m2-m1)]*g /[( 2*π*R内+2*π*R外)] ，其中σ为液体的表面张力系数。
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外取10.00cm，R内取8.00cm，h取5.00cm，平均密度取0.5g/cm3，则m=283克，表面张力为σ*（2*π*R内+2*π*R外）=0.0825N，大约相当于8.25克质量所受的重力(此处的重力加速度取10N/Kg)，因此m-(m2-m1)=8.25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（8.25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.空心圆筒排液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是：空心圆筒（1）由具有共同中心轴线的内、外两个圆筒组成，内侧圆筒的半径为R内，外侧圆筒的半径为R外，两个圆筒之间为空腔，空腔的上端和下端密封，空腔为一个倒置的三角形，上端为三角形的底边、下端为三角形的顶点，在空心圆筒材料较薄的一端做一个标记，称为空心圆筒口（2）；空心圆筒（1）的平均密度为空心圆筒（1）的质量m与空心圆筒（1）所围成的体积（πR外 2-πR内 2）*h相除，h为空心圆筒（1）的高，平均密度=m/[(πR外 2-πR内 2）*h]，空心圆筒（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；测量空心圆筒（1）的质量m，使空心圆筒口（2）朝上、将空心圆筒（1）缓慢地放入到溢水槽（3）内，缓慢放入的目的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，随着空心圆筒（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，最后放开空心圆筒（1）让空心圆筒（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；空心圆筒（1）的内部和外部均接触液体，表面张力为σ*（2*π*R内+2*π*R外），其中σ为表面张力系数，则[m-(m2-m1)]*g = σ*（2*π*R内+2*π*R外），即σ=[m-(m2-m1)]*g /[ 2*π*(R内+R外)]。
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