CN108169079B - 两种液体间界面张力的动态测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两种液体间界面张力的动态测量方法，采用液体表面张力动态测量装置进行测量，测量了金属吊环从液体一进入液体二的过程中电压U随时间T的变化曲线；在金属吊环由液体一完全进入液体二的过程中，记录在液体二中液体一的液膜被拉断前电压的最大值为U₁，对应的拉力为f₁，拉断后趋于稳定时的电压值为U₂，对应的拉力为f₂，则两种液体间界面张力即为单位长度上当金属吊环从液体一完全进入液体二的过程中拉断液膜的力为(f₁‑f₂)/l,由此可得两种液体间的界面张力：

本发明采用液体表面张力动态测量装置进行实验，并对实验结果进行分析计算，开创了测量两种液体间界面张力的途径，且测量方法简单易行，测量结果准确。

Description

两种液体间界面张力的动态测量方法

技术领域

本发明涉及液体张力测量技术领域，尤其涉及两种液体间界面张力的动态测量方法。

背景技术

在一定的温度、压强等条件下，物质以固、液、气三态存在。各相物质间的接触面统称为界面(约几个分子层厚度)，但通常把气液或气固的界面称为表面。由于界面上的分子与体相内部的分子所处的环境不同，性质也有差异，因此界面层具有一些特殊的物理和化学性质。液-液界面是指两种互不混溶或互相饱和的液体所形成的物理界面,而界面张力是描述液-液界面的主要物理量，其在表面化学、化工生产、材料制备、石油工业及环境保护等方面有着广泛的应用。

目前国内各大高校在物理教学实验教学中均是测量气液间的液体表面张力系数，测量方法大都以拉脱法为主，但在实验过程中存在较多人工测量误差和系统误差，这主要是受到仪器设计结构和实验方法的限制。

申请号为201721340013.9的实用新型专利公开了“一种液体表面张力动态测量装置”，包括恒温杯、力敏传感器和金属吊环，还包括信号转换装置、电脑、排液管、流速调节器和储液槽；其采用封闭式容器盛装液体，通过从容器底部缓慢匀速排出液体的方式实现液体与金属吊环之间的拉脱过程，其平稳性好，对液体表面张力的测量精度高，且实验过程数据可实时直观显示。

发明内容

本发明提供了两种液体间界面张力的动态测量方法，采用液体表面张力动态测量装置进行实验，并对实验结果进行分析计算，开辟了测量两种液体间界面张力的途径，且测量方法简单易行、且测量结果准确。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

两种液体间界面张力的动态测量方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)采用液体表面张力动态测量装置进行测量；测量开始前，先接通电源将信号转换装置预热15分钟；在力敏传感器的横梁端头的吊钩上挂上砝码盘进行定标，然后将金属吊环清洁干净，调平后挂在吊钩上；

2)测量时，先向恒温杯中注入比重相对较大的液体一，将金属吊环下降后置于液体一中，然后再注入比重相对较小的液体二；调节流速调节器，从恒温杯底部缓慢匀速地排出液体一，测量金属吊环从液体一进入液体二的过程中电压U随时间T的变化曲线；

3)实验结果分析；

3.1拉伸过程中金属吊环的位置及受力分析；

3.1.1金属吊环全部浸没在液体一中时；

此时金属吊环受到三个力的作用：金属吊环自身的重力G、液体一对金属吊环的浮力F_1Ⅰ以及力敏传感器对金属吊环的拉力F₁，在这三个力的作用下金属吊环在液体一中匀速上升，力平衡方程为：

F₁+F_1Ⅰ＝G 公式1

其中液体一对金属吊环的浮力

h为金属吊环的高度；D₁、D₂分别为金属吊环的外径、内径，ρ_Ⅰ为液体一的密度；V为金属吊环的体积,在这一过程中拉力F₁恒定，电压表示数不变；

3.1.2金属吊环从液体一进入液体二中时；

金属吊环从液体一进入液体二的过程中受到四个力的作用，即：金属吊环自身的重力G、液体二对金属吊环的浮力F_2Ⅱ、液体一对金属吊环的浮力F_2Ⅰ以及力敏传感器对金属吊环的拉力F₂；在这四个力的作用下金属吊环匀速上升，力平衡方程为：

F₂+F_2Ⅰ+F_2Ⅱ＝G 公式2

其中：

h＝h₁+h₂，h₁和h₂分别表示金属吊环浸在液体一和液体二中的高度；ρ_Ⅱ为液体二的密度；V₁、V₂分别为金属吊环浸在液体一和液体二中的体积；整理得：

F₂＝-k₂h₁+b₂ 公式3

其中：

这一过程中，拉力随金属吊环浸在液体一中的高度h₁减小而增大，并且成线性关系；

3.1.3金属吊环完全进入液体二中时；

经过两种液体界面后，金属吊环继续上升完全进入到液体二中，在液体二中拉起一个液体一的液膜，并且液膜在液体二中被拉伸一段距离之后断裂；在该过程中，金属吊环受到自身重力G、液膜的拉力f、液体二对金属吊环的浮力F_3Ⅱ以及力敏传感器对金属吊环的拉力F₃；金属吊环在这四个力的作用下匀速上升，力平衡方程为：

F₃+F_3Ⅱ＝G+f 公式4

其中f＝α₁π(D₁+D₂)cosθ，

θ表示液膜与竖直方向上的夹角；α₁为两液体间的界面张力；整理各式得：

F₃＝k₃cosθ+b₃ 公式5

其中，k₃＝α₁π(D₁+D₂)，

公式5中的θ角随着拉升的过程逐渐减小，到0°以后，由于金属吊环存在一定的厚度，此时液体一的液膜并没有被拉断，随着金属吊环继续被拉升，θ角反方向增加；cosθ值先变大，到达最大值1后又逐渐变小；此过程中拉力F₃随着θ角的减小而增大，达到最大值后，拉力F₃又随之减小；

3.1.4液膜破裂后金属吊环完全浸没在液体二中时；

液膜拉断后金属吊环在液体二中继续匀速上升，在上升过程中金属吊环受到三个力的作用，即：重力G,液体二对金属吊环的浮力F_4Ⅱ和力敏传感器对金属吊环的拉力F₄，在这三个力的作用下金属吊环匀速上升，力平衡方程为：

F₄+F_4Ⅱ＝G 公式6

其中：

金属吊环在这一运动过程中电压值也趋于平稳；

3.2两种液体间界面张力；

在金属吊环由液体一完全进入液体二的过程中，记录在液体二中液体一的液膜被拉断前电压的最大值为U₁，对应的拉力为f₁，拉断后趋于稳定时的电压值为U₂，对应的拉力为f₂，则两种液体间界面张力即为单位长度上当金属吊环从液体一完全进入液体二的过程中拉断液膜的力：

由此可得两种液体间的界面张力：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过同步信号转换器将力敏传感器测量的电压信号转换为数字信号，并在电脑的显示器上实时直观显示，并通过嵌套软件在计算机上实时记录电压值，绘制出电压的变化曲线，代替人工记数，从而减小实验测量误差；

2)通过从容器底部缓慢匀速排出液体的方式实现液体与金属吊环之间的拉脱过程，在拉脱过程中金属吊环始终保持水平状态，其平稳性好，避免了用手动调节金属吊环位置变化而引起的测量误差，大大提高了实验精度；通过流速调节器可控制从容器底部缓慢匀速排出液体的流速，还可以用来探究液体流速对液-液界面张力的影响，从而找到测量两种液体界面张力的最佳实验条件；

3)可以控制和检测待测液体的温度；采用设置有温度计的恒温容器盛放待测液体，既可以读取待测液体的温度值，又能够保持待测液体的温度恒定，从而大大减小了温度对实验结果的影响；

4)提供了一种有效的两种液体间界面张力的动态测量方法，且测量方法简单易行，测量结果准确。

附图说明

图1是本发明所述两种液体间界面张力动态测量时的实验原理图。

图2是本发明实施例中金属吊环从纯净水进入硅油过程中电压U随时间T的变化曲线(温度为20℃时)。

图3是本发明所述金属吊环在四个实验阶段中的位置及受力图。

图中：1.电脑 2.信号转换装置 3.实验台架 31.底座 32.立柱 33.横梁 4.力敏传感器 5.温度计 6.恒温杯 7.金属吊环 8.储液槽 9.排液管 10.流速调节器 11.橡胶塞12.杯盖 Ⅰ.液体一 Ⅱ.液体二

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述两种液体间界面张力的动态测量方法，包括如下步骤:

1)采用液体表面张力动态测量装置(如图1所示)进行测量；测量开始前，先接通电源将信号转换装置2预热15分钟；在力敏传感器4的横梁33端头的吊钩上挂上砝码盘进行定标，然后将金属吊环7清洁干净，调平后挂在吊钩上；

2)测量时，先向恒温杯6中注入比重相对较大的液体一Ⅰ，将金属吊环7下降后置于液体一Ⅰ中，然后再注入比重相对较小的液体二Ⅱ；调节流速调节器10，从恒温杯6底部缓慢匀速地排出液体一Ⅰ，测量金属吊环7从液体一Ⅰ进入液体二Ⅱ的过程中电压U随时间T的变化曲线；

3)实验结果分析；

3.1拉伸过程中金属吊环7的位置及受力分析(如图3所示)；

3.1.1金属吊环7全部浸没在液体一Ⅰ中时；

此时金属吊环7受到三个力的作用：金属吊环7自身的重力G、液体一Ⅰ对金属吊环7的浮力F_1Ⅰ以及力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₁，在这三个力的作用下金属吊环7在液体一Ⅰ中匀速上升，力平衡方程为：

F₁+F_1Ⅰ＝G 公式1

其中液体一Ⅰ对金属吊环7的浮力

h为金属吊环的高度；D₁、D₂分别为金属吊环的外径、内径，ρ_Ⅰ为液体一Ⅰ的密度；V为金属吊环7的体积,在这一过程中拉力F₁恒定，电压表示数不变；

3.1.2金属吊环7从液体一Ⅰ进入液体二Ⅱ中时；

金属吊环7从液体一Ⅰ进入液体二Ⅱ的过程中受到四个力的作用，即：金属吊环7自身的重力G、液体二Ⅱ对金属吊环7的浮力F_2Ⅱ、液体一Ⅰ对金属吊环7的浮力F_2Ⅰ以及力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₂；在这四个力的作用下金属吊环7匀速上升，力平衡方程为：

F₂+F_2Ⅰ+F_2Ⅱ＝G 公式2

其中：

h＝h₁+h₂，h₁和h₂分别表示金属吊环7浸在液体一Ⅰ和液体二Ⅱ中的高度；ρ_Ⅱ为液体二Ⅱ的密度；V₁、V₂分别为金属吊环7浸在液体一Ⅰ和液体二Ⅱ中的体积；整理得：

F₂＝-k₂h₁+b₂ 公式3

其中：

这一过程中，拉力随金属吊环7浸在液体一Ⅰ中的高度h₁减小而增大，并且成线性关系；

3.1.3金属吊环7完全进入液体二Ⅱ中时；

经过两种液体界面后，金属吊环7继续上升完全进入到液体二Ⅱ中，在液体二Ⅱ中拉起一个液体一Ⅰ的液膜，并且液膜在液体二Ⅱ中被拉伸一段距离之后断裂；在该过程中，金属吊环7受到自身重力G、液膜的拉力f、液体二Ⅱ对金属吊环7的浮力F_3Ⅱ以及力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₃；金属吊环7在这四个力的作用下匀速上升，力平衡方程为：

F₃+F_3Ⅱ＝G+f 公式4

其中f＝α₁π(D₁+D₂)cosθ，

θ表示液膜与竖直方向上的夹角；α₁为两液体间的界面张力；整理各式得：

F₃＝k₃ cosθ+b₃ 公式5

其中，k₃＝α₁π(D₁+D₂)，

公式5中的θ角随着拉升的过程逐渐减小，到0°以后，由于金属吊环7存在一定的厚度，此时液体一Ⅰ的液膜并没有被拉断，随着金属吊环7继续被拉升，θ角反方向增加；cosθ值先变大，到达最大值1后又逐渐变小；此过程中拉力F₃随着θ角的减小而增大，达到最大值后，拉力F₃又随之减小；

3.1.4液膜破裂后金属吊环7完全浸没在液体二Ⅱ中时；

液膜拉断后金属吊环7在液体二Ⅱ中继续匀速上升，在上升过程中金属吊环7受到三个力的作用，即：重力G,液体二Ⅱ对金属吊环7的浮力F_4Ⅱ和力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₄，在这三个力的作用下金属吊环7匀速上升，力平衡方程为：

F₄+F_4Ⅱ＝G 公式6

其中：

金属吊环7在这一运动过程中电压值也趋于平稳；

3.2两种液体间界面张力；

在金属吊环7由液体一Ⅰ完全进入液体二Ⅱ的过程中，记录在液体二Ⅱ中液体一Ⅰ的液膜被拉断前电压的最大值为U₁，对应的拉力为f₁，拉断后趋于稳定时的电压值为U₂，对应的拉力为f₂，则两种液体间界面张力即为单位长度上当金属吊环从液体一Ⅰ完全进入液体二Ⅱ的过程中拉断液膜的力：

由此可得两种液体间的界面张力：

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

如图1所示，本发明所述液体表面张力动态测量装置，包括恒温杯6、力敏传感器4和金属吊环7，还包括信号转换装置2、电脑1、排液管9、流速调节器10和储液槽8；所述力敏传感器4悬置于恒温杯6上方，力敏传感器4的测量端连接金属吊环7，金属吊环7伸入恒温杯6内用于与被测液体接触；力敏传感器4的信号输出端通过信号转换装置2连接电脑1；恒温杯6底部设排液孔，排液孔通过排液管9连接储液槽8，排液管9上设流速调节器10；电脑1包括主机和显示器，用于监视测量过程和记录数据。

还包括实验台架3，所述实验台架3由底座31、立柱32和横梁33组成，立柱32固定在底座31一侧，横梁33设置在立柱32上，立柱32垂直于底座31和横梁33；恒温杯6放置在底座31上，立柱32上沿高向设滑轨，横梁33能够沿滑轨上、下移动，力敏传感器4固定在横梁33上。

所述恒温杯6内设温度计5。

所述力敏传感器4的测量端通过吊钩和细线与金属吊环7连接。

所述恒温杯6底部中央开孔并通过橡胶塞11塞紧密封，橡胶塞11上开设排液孔与排液管9相连。

所述恒温杯6顶部通过杯盖12封闭，杯盖12上设温度计插孔和细线孔供温度计、细线穿过。

测量开始前，先接通电源将信号转换装置2预热15分钟；在固定力敏传感器4的横梁33端头的吊钩上挂上砝码盘进行定标，然后将金属吊环7清洁干净，调平后挂在吊钩上；

2)测量时，先向恒温杯6中注入比重相对较大的纯净水，将金属吊环7下降后置于纯净水中，然后再注入比重相对较小的硅油；调节流速调节器10，从恒温杯6底部缓慢匀速地排出纯净水，测量金属吊环7从纯净水进入硅油的过程中电压U随时间T的变化曲线(如图2所示)；

3)实验结果分析；

3.1拉伸过程中金属吊环7的位置及受力分析(如图3所示)；

3.1.1金属吊环7全部浸没在纯净水中时(金属吊环在位置a)；

此时金属吊环7受到三个力的作用：金属吊环7自身的重力G、纯净水对金属吊环7的浮力F_1水以及力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₁，在这三个力的作用下金属吊环7在纯净水中匀速上升，力平衡方程为：

F₁+F_1水＝G 公式1

其中纯净水对金属吊环7的浮力

h为金属吊环7的高度，V为金属吊环7的体积；

在这一过程中拉力F₁恒定，电压表示数不变，与图2中0～100s期间的电压数据吻合。

3.1.2金属吊环7从纯净水进入硅油中时(金属吊环在位置b)；

金属吊环7从纯净水进入硅油的过程中受到四个力的作用，即：金属吊环7自身的重力G、硅油对金属吊环7的浮力F_2油、纯净水对金属吊环7的浮力F_2水以及力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₂；在这四个力的作用下金属吊环7匀速上升，力平衡方程为：

F₂+F_2水+F_2油＝G 公式2

其中：

h＝h₁+h₂，h₁和h₂分别表示金属吊环7浸在纯净水和硅油中的高度；整理得：

F₂＝-k₂h₁+b₂ 公式3

其中：

这一过程中，拉力随金属吊环7浸在纯净水中的高度h₁减小而增大，并且成线性关系，对应图2中100s～220s期间的电压变化曲线。

3.1.3金属吊环7完全进入硅油中时(金属吊环在位置c)；

经过两种液体界面后，金属吊环7继续上升完全进入到硅油中，在硅油中拉起一个纯净水的液膜，并且液膜在硅油中被拉伸一定距离之后断裂；在该过程中，金属吊环7受到自身重力G、液膜的拉力f、硅油对金属吊环7的浮力F_3油和力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₃；金属吊环7在这四个力的作用下匀速上升，力平衡方程为：

F₃+F_3油＝G+f 公式4

其中f＝α₁π(D₁+D₂)cosθ，

θ表示液膜与竖直方向上的夹角，α₁为两液体的界面张力；整理各式得：

F₃＝k₃cosθ+b₃ 公式5

其中，k₃＝α₁π(D₁+D₂)，

公式5中的θ角随着拉升的过程逐渐减小，到0°以后，由于金属吊环7存在一定的厚度，此时纯净水的液膜并没有被拉断，随着金属吊环7继续被拉升，θ角反方向增加；cosθ值先变大，到达最大值1后又逐渐变小；此过程中拉力F₃随着θ角的减小而增大，达到最大值后，拉力F₃又随之减小，与图2中220～380s期间的电压值相吻合。

3.1.4液膜破裂后金属吊环7完全浸没在硅油中时(金属吊环在位置d)；

液膜拉断后金属吊环7在硅油中继续匀速上升，在上升过程中金属吊环7受到三个力的作用，即：重力G,硅油对金属吊环7的浮力F_4油和力敏传感器4对金属吊环7的拉力F₄，在这三个力的作用下处于平衡状态，力平衡方程为：

F₄+F_4油＝G 公式6

其中：

ρ_油为硅油的密度；金属吊环7在这一运动过程中电压值也趋于平稳，对应图2中380s～450s期间的电压变化曲线。

3.2两种液体间界面张力；

在金属吊环7由纯净水完全进入硅油的过程中，记录在硅油中纯净水的液膜被拉断前电压的最大值为U₁＝-39.3mV，对应的拉力为f₁＝-18.41×10^-3N，拉断后趋于稳定时的电压值为U₂＝-51.8mV，对应的拉力为f₂＝-24.32×10^-3N。

测量时所用金属吊环7的外径、内径分别为0.03496m和0.03310m，通过该实验所测得的纯净水和硅油两种液体间的界面张力为27.65×10^-3N/m。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.两种液体间界面张力的动态测量方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)采用液体表面张力动态测量装置进行测量；测量开始前，先接通电源将信号转换装置预热15分钟；在力敏传感器的横梁端头的吊钩上挂上砝码盘进行定标，然后将金属吊环清洁干净，调平后挂在吊钩上；

2)测量时，先向恒温杯中注入比重相对较大的液体一，将金属吊环下降后置于液体一中，然后再注入比重相对较小的液体二；调节流速调节器，从恒温杯底部缓慢匀速地排出液体一，测量金属吊环从液体一进入液体二的过程中电压U随时间T的变化曲线；

3)实验结果分析；

3.1拉伸过程中金属吊环的位置及受力分析；

3.1.1金属吊环全部浸没在液体一中时；

此时金属吊环受到三个力的作用：金属吊环自身的重力G、液体一对金属吊环的浮力F_1Ⅰ以及力敏传感器对金属吊环的拉力F₁，在这三个力的作用下金属吊环在液体一中匀速上升，力平衡方程为：

F₁+F_1Ⅰ＝G 公式1

其中液体一对金属吊环的浮力

h为金属吊环的高度；D₁、D₂分别为金属吊环的外径、内径，ρ_Ⅰ为液体一的密度；V为金属吊环的体积,在这一过程中拉力F₁恒定，电压表示数不变；

3.1.2金属吊环从液体一进入液体二中时；

金属吊环从液体一进入液体二的过程中受到四个力的作用，即：金属吊环自身的重力G、液体二对金属吊环的浮力F_2Ⅱ、液体一对金属吊环的浮力F_2Ⅰ以及力敏传感器对金属吊环的拉力F₂；在这四个力的作用下金属吊环匀速上升，力平衡方程为：

F₂+F_2Ⅰ+F_2Ⅱ＝G 公式2

其中：

h＝h₁+h₂，h₁和h₂分别表示金属吊环浸在液体一和液体二中的高度；ρ_Ⅱ为液体二的密度；V₁、V₂分别为金属吊环浸在液体一和液体二中的体积；整理得：

F₂＝-k₂h₁+b₂ 公式3

其中：

这一过程中，拉力随金属吊环浸在液体一中的高度h₁减小而增大，并且成线性关系；

3.1.3金属吊环完全进入液体二中时；

经过两种液体界面后，金属吊环继续上升完全进入到液体二中，在液体二中拉起一个液体一的液膜，并且液膜在液体二中被拉伸一段距离之后断裂；在该过程中，金属吊环受到自身重力G、液膜的拉力f、液体二对金属吊环的浮力F_3Ⅱ以及力敏传感器对金属吊环的拉力F₃；金属吊环在这四个力的作用下匀速上升，力平衡方程为：

F₃+F_3Ⅱ＝G+f 公式4

其中f＝α₁π(D₁+D₂)cosθ，

θ表示液膜与竖直方向上的夹角；α₁为两液体间的界面张力；整理各式得：

F₃＝k₃cosθ+b₃ 公式5

其中，k₃＝α₁π(D₁+D₂)，

公式5中的θ角随着拉升的过程逐渐减小，到0°以后，由于金属吊环存在一定的厚度，此时液体一的液膜并没有被拉断，随着金属吊环继续被拉升，θ角反方向增加；cosθ值先变大，到达最大值1后又逐渐变小；此过程中拉力F₃随着θ角的减小而增大，达到最大值后，拉力F₃又随之减小；

3.1.4液膜破裂后金属吊环完全浸没在液体二中时；

液膜拉断后金属吊环在液体二中继续匀速上升，在上升过程中金属吊环受到三个力的作用，即：重力G,液体二对金属吊环的浮力F_4Ⅱ和力敏传感器对金属吊环的拉力F₄，在这三个力的作用下金属吊环匀速上升，力平衡方程为：

F₄+F_4Ⅱ＝G 公式6

其中：

金属吊环在这一运动过程中电压值也趋于平稳；

3.2两种液体间界面张力；

在金属吊环由液体一完全进入液体二的过程中，记录在液体二中液体一的液膜被拉断前电压的最大值为U₁，对应的拉力为f₁，拉断后趋于稳定时的电压值为U₂，对应的拉力为f₂，则两种液体间界面张力即为单位长度上当金属吊环从液体一完全进入液体二的过程中拉断液膜的力：

由此可得两种液体间的界面张力：

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