CN104458508B

CN104458508B - 空心半球壳内注入液体测量液体表面张力系数的方法

Info

Publication number: CN104458508B
Application number: CN201410706563.2A
Authority: CN
Inventors: 李娟�; 胡再国; 饶大庆; 雍志华; 罗明蓉; 穆万军; 邹旭敏; 王维果; 梁雅庭; 程艳; 刘石丹; 于白茹; 李伟; 梁小冲; 李紫源; 田野中; 朱俊; 何原
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-12-01
Also published as: CN104458508A

Abstract

空心半球壳内注入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：外侧半球半径为R空心的半球壳，半球壳开口的厚度为2cm，空心半球壳的平均密度小于液体的密度；测量半球壳的质量m和半球壳的外侧半径R，然后将半球壳浮在一个水槽内的液面上，一根输液管的一端连接到一个量筒，记录输液管连接的量筒的液面刻度V_始，将输液管的管口放入到空心的半球壳内，在空心半球壳外部的液体将越过半球壳开口的内外两侧之间的边界时，记录输液管量筒的读数V_终，液体表面张力系数σ=g*[m+ρ*（V_始‑V_终）‑ρ*（2πR³）/3]/(2πR)，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

空心半球壳内注入液体测量液体表面张力系数的方法

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：空心半球壳内注入液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是：一个空心的半球壳，外部半球半径为R，也就是半球壳开口所在的圆环的外侧圆半径为R，空心的半球壳的底部的外层材料内侧或/和内层材料的外侧相对于空心半球壳的上部而言比较厚，并关于中心轴对称分布，即为旋转体结构，目的就是使其重心向半球壳的底部偏移，利于增强其稳定性；半球壳开口所在的圆环的外侧圆半径为R与内侧圆半径之差大于或者等于2cm，也就是半球壳开口所在平面内的空心半球壳的厚度为2cm；空心的半球壳的平均密度为半球壳的质量m与半球壳所围成半球的体积为2πR³/3相除，平均密度=3m/ (2πR³)，空心半球壳的平均密度小于液体的密度，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；测量空心半球壳的质量m和半球壳开口所在圆环的外侧圆的半径R，然后将空心半球壳浮在一个水槽内的液面上，一根输液管的一端连接到一个量筒，量筒内容纳着液体，量筒的液体能够通过输液管流到输液管的管口，输液管有流速调节开关，当输液管口有液体流出时，关闭输液管的开关，记录输液管连接的量筒的液面刻度V_始，将输液管的管口放入到空心半球壳内，缓慢打开输液管的开关，使液体缓慢注入到空心半球壳内，缓慢的速度是确保空心半球壳不会出现摆动或者抖动，如果有摆动或者抖动，会导致测量失败，如果出现摆动或者抖动，则需要关小输液管的开关从而减缓输液的速度；随着输液管的液体流入到空心半球壳内，空心半球壳和内部的液体总质量增加，重力增加，空心半球壳将下沉，浮力增加，液面逐渐接近空心半球壳的半球壳开口，在最初液体接触半球壳开口时，由于表面张力作用，水槽中的液体不会流进空心半球壳内部，继续向空心半球壳内部注入液体，液体的重力逐渐削弱表面张力的作用，当空心半球壳加上其内部液体的重力之和等于排开的与空心半球壳等体积的液体的重力加上表面张力之和时，空心半球壳外部的液体将越过半球壳开口的内外两侧之间的边界，导致空心半球壳开始下沉，此时关闭输液管的开关，记录输液管量筒的读数V_终；量筒注入液体的质量为ρ*（V_始- V_终），其中ρ为液体的密度，排开液体的质量为ρ*V=ρ*（2πR³）/3，则液体的表面张力为g*[m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]，其中，g为重力加速度，液体表面张力系数σ= g* [ m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]/( 2πR)。

有益效果是：半球壳的底部厚、上端薄，其重心向半球壳的底部偏移，有利于增强其稳定性，减少其液体注入时产生的摇晃；有利于观察液体表面张力的表现形式；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是半球壳示意图，图2半球壳纵剖示意图。

其中，1、半球壳，2、半球壳开口，3、输液管。

具体实施方式

一个空心（中空）的半球壳1，外部半球半径为R，由于是半球壳，也就是半球壳开口2所在的圆环的外圆半径为R，空心的半球壳1的底部的外层材料内侧或/和内层材料的外侧比较厚，并关于中心轴对称分布（旋转体），如图2所示，目的就是使其重心向半球壳1的底部偏移，有利于增强其稳定性；半球壳开口2所在的圆环的外圆半径为R与内圆半径之差大于或者等于2cm（即半球壳开口2的厚度），空心的半球壳1的平均密度为半球壳1的质量m与半球壳1所围成半球的体积为2πR³/3相除，平均密度=3m/ (2πR³)，半球壳1的平均密度小于液体的密度，最佳取值为液体密度0.85-0.95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。

测量半球壳1的质量m和外圆半径R（能够通过测量半球壳开口2的外径，外径的一半得到R），然后将半球壳1悬浮在一个水槽内的液体中，一根输液管3连接到一个量筒，量筒内容纳着液体，量筒的液体能够通过输液管3流到输液管3的管口，输液管3有流速调节开关，流速调节开关为现有技术，在医院使用的输液管上就有一个流速调节开关。当输液管口有液体流出时，关闭输液管3的开关，记录输液管3连接的量筒的液面刻度V_始，将输液管3的管口放入到空心的半球壳1内，缓慢打开输液管3的开关，使液体缓慢注入到空心的半球壳内，缓慢的速度是确保空心半球壳1不会出现摆动或者抖动，如果有摆动或者抖动，会导致测量失败，当出现摆动或者抖动时，则需要关小输液管3的开关从而减缓输液的速度；随着输液管3的液体流入到空心的半球壳1内，空心半球壳1以及内部的液体总质量增加，重力增加，空心半球壳1将下沉，浮力增加，液面逐渐接近空心半球壳1的半球壳开口2，在最初液体接触半球壳开口2时，由于表面张力作用，水槽中的液体不会流进空心半球壳1内部，此时浮力等于空心半球壳1和内部液体的重力之和；继续向空心半球壳1内部注入液体，液体的重力逐渐削弱表面张力的作用，当空心半球壳1加上其内部液体的重力之和等于排开与空心半球壳1等体积的液体的重力加上表面张力之和时，空心半球壳1外部的液体将越过空心半球壳开口2的内外两侧之间的边界（为减少液面波动对测量的影响，空心半球壳1的内外两侧之间的边界，即半球壳开口2的厚度建议在2cm或2cm以上），此时关闭输液管3的开关，记录输液管1连接的量筒的读数V_终，然后空心半球1壳开始下沉并最终沉没。

量筒注入液体的质量为ρ*（V_始- V_终），排开液体的质量为ρ*V=ρ*（2πR³）/3，则液体的表面张力为g*[m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]，其中，g为重力加速度；根据液体表面张力与液体表面张力系数的关系，液体的表面张力又可以表示为2πR*σ，因此2πR*σ= g*[m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]，所以液体表面张力系数σ= g* [ m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]/( 2πR)。

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，而是远离接触处的液面（液体水平面）。由浮力原理，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。

在本发明的测量过程中，能够发现球壳外粘附的液体高于液体水平面；粘附的液体与水平面平齐（此时浮力等于g*ρ*V= g*ρ*（2πR³）/3）；受表面张力作用，液面高于空心半球壳开口2所在的平面（这种现象，在某些小虫踩在水面也能观察到），继续注入液体，超过表面张力后，空心半球壳沉没。

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，平均密度取0.85g/cm³，则m=0.85 g/cm³*(2πR³/3)=1780克，如果平均密度取0.95g/cm³，则m=0.95 g/cm³*(2πR³/3)=1990克，排开水的质量ρ*（2πR³）/3=2094克（水的密度按1g/cm³估计），表面张力2*π*R*σ=0.045N，在重力加速度取10N/Kg的粗略估计下，表面张力大致相当于4.5克物体产生的重力，则需要注入的液体的质量为2094+4.6-1780=318.6克（大致相当于318.6毫升），对于平均密度为0.95g/cm³ ，2094+4.6-1990=108.6克（大致相当于108.6毫升），在当今的实验室的电子天平或者其它天平，在量程3000克（测量本实验空心球壳质量1990克所需要的量程），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.空心半球壳内注入液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是：一个空心的半球壳（1），外部半球半径为R，空心的半球壳（1）的底部的外层材料内侧或/和内层材料的外侧相对于空心半球壳（1）的上部而言比较厚，并关于中心轴对称分布，即为旋转体结构，目的就是使其重心向半球壳（1）的底部偏移，利于增强其稳定性；半球壳开口（2）所在的圆环的外侧圆半径为R与内侧圆半径之差大于或者等于2cm，也就是半球壳开口（2）所在平面内的空心半球壳（1）的厚度为2cm；空心的半球壳（1）的平均密度为半球壳（1）的质量m与半球壳（1）所围成半球的体积为2πR³/3相除，平均密度=3m/ (2πR³)，空心半球壳（1）的平均密度小于液体的密度，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；测量空心半球壳（1）的质量m和半球壳开口（2）所在圆环的外侧圆的半径R，然后将空心半球壳（1）浮在一个水槽内的液面上，一根输液管（3）的一端连接到一个量筒，量筒内容纳着液体，量筒的液体能够通过输液管（3）流到输液管（3）的管口，输液管（3）有流速调节开关，当输液管口有液体流出时，关闭输液管（3）的开关，记录输液管（3）连接的量筒的液面刻度V_始，将输液管（3）的管口放入到空心半球壳（1）内，缓慢打开输液管（3）的开关，使液体缓慢注入到空心半球壳（1）内，缓慢的速度是确保空心半球壳（1）不会出现摆动或者抖动，随着输液管（3）的液体流入到空心半球壳（1）内，空心半球壳（1）和内部的液体总质量增加，重力增加，空心半球壳（1）将下沉，浮力增加，液面逐渐接近空心半球壳（1）的半球壳开口（2），在最初液体接触半球壳开口（2）时，由于表面张力作用，水槽中的液体不会流进空心半球壳（1）内部，继续向空心半球壳内部注入液体，液体的重力逐渐削弱表面张力的作用，当空心半球壳（1）加上其内部液体的重力之和等于排开的与空心半球壳等体积的液体的重力加上表面张力之和时，空心半球壳（1）外部的液体将越过半球壳开口（2）的内外两侧之间的边界，导致空心半球（1）壳开始下沉，此时关闭输液管（3）的开关，记录输液管（1）量筒的读数V_终；量筒注入液体的质量为ρ*（V_始- V_终），其中ρ为液体的密度，排开液体的质量为ρ*V=ρ*（2πR³）/3，则液体的表面张力为g* [m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]，其中，g为重力加速度，液体表面张力系数σ=g* [ m+ρ*（V_始- V_终）-ρ*（2πR³）/3]/( 2πR)。