新型液體表面張力系數(shù)測試儀的研制

包 穎，李艷琴

(大連大學;遼寧 大連 116622)

表面張力是液體表面的重要特性，它類似于固體內部的拉伸應力，這種應力存在于極薄的表面層內，是液體表面層內分子力作用的結果。液體表面層的分子有從液面擠入液內的趨勢，從而使液體有盡量縮小其表面的趨勢，整個液面如同一張拉緊了的彈性薄膜，我們把這種沿著液體表面，使液面收縮的力稱為表面張力。作用于液面單位長度上的表面張力，稱為液體的表面張力系數(shù)，測定液體表面張力系數(shù)的方法多采用拉脫法［1-2］。目前是通過手動調節(jié)螺母以升高吊環(huán)達到拉斷液膜的目的，手動旋轉螺母的快慢以及帶來液面的微小波動，會給實驗造成較大的誤差?；诖耍O計了一臺新的拉脫法測量液體表面張力系數(shù)測試儀，通過調控流速，降低液面高度以達到拉脫液膜的目的，避免了手動調節(jié)帶來的誤差。通過研究流速和液體表面張力的變化關系，尋找某一流速時，所測量的表面張力系數(shù)接近于理論值。

1 實驗原理及方法

實驗儀器如圖1所示，在力敏傳感器的下方放置本實驗自創(chuàng)的可控流速瓶，通過流速來控制圓形吊環(huán)所處液面，達到測量液體表面張力系數(shù)的目的。該儀器采用高精度的力敏傳感器進行力的測量，利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術將測得的力轉換成電壓信號，當有拉力作用于力敏傳感器的彈性梁上時，計算機上即可顯示電壓值，輸出電壓與拉力成正比［3］，即:

式中，U為輸出的電壓值，F(xiàn)為力敏傳感器所受拉力，B為力敏傳感器的靈敏度。

圖1 液體表面張力系數(shù)測試儀

圖2 圓形吊環(huán)從液面緩提拉起受力示意圖

將一潔凈的圓筒形吊環(huán)浸入液體中，然后緩慢地提起吊環(huán)，圓筒形吊環(huán)將帶起一層液膜如圖2所示。使液面收縮的表面張力f沿液面的切線方向，角φ稱為濕潤角(或接觸角)［4］。當繼續(xù)提起圓筒形吊環(huán)時，φ角逐漸變小而接近為零，這時所拉出的液膜的里、外兩個表面的張力f均垂直向下，設拉起液膜破裂時的拉力為F，則有:

式中，m為粘附在吊環(huán)上的液體的質量，m0為吊環(huán)質量。

因表面張力的大小與接觸面周邊界長度成正比，則有:

式中:α為表面張力系數(shù)，單位是N/m。

聯(lián)立(3)和(4)式，則液體的表面張力系數(shù)可表示為:

由于液膜很薄，m很小，可忽略不計，于是公式簡化為:

液體的表面張力系數(shù)可表示為:

式中，R內和R外為片狀吊環(huán)的內外半徑，U1和U2為液膜拉斷前后瞬間力敏傳感器輸出的電壓值［5］。

表面張力系數(shù)α與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分等有關，只要上述這些條件保持一定，α值就是一個常數(shù)。本實驗的核心部分是準確測定F－m0g，即圓筒形吊環(huán)所受到向下的表面張力。

3 結果與討論

力敏傳感器定標數(shù)據(jù)見表1，使用Origin軟件對直線進行擬合，可得力敏傳感器靈敏度B=0.290 V/N，擬合直線如圖3所示，由圖3可知，力敏傳感器輸出電壓與其所受到的拉力之間是線性關系［6］。

在21.0℃時分別測量了不同流速時水和鹽水的表面張力系數(shù)，根據(jù)公式(6)即可計算其表面張力系數(shù)，實驗數(shù)據(jù)見表2。不同流速時，水和鹽水的表面張力系數(shù)變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨流速增加，表面張力系數(shù)先減小，后迅速增加，當水的流速達到2.73 mL/s時，表面張力系數(shù)趨于穩(wěn)定，流速繼續(xù)增加，表面張力系數(shù)幾乎不變;當流速為3.07 mL/s時，該表面張力更接近于理論值，相對誤差僅為0.02%。隨水的水的液體的表面張力趨于穩(wěn)定，該值與理論值較接近。當流速達到3.07 mL/s時，鹽水的表面張力系數(shù)趨于穩(wěn)定，與李福星等人的研究結果較一致［7-11］。

表1 力敏傳感器定標數(shù)據(jù)

圖3 力敏傳感器定標擬合圖

使用新研制的表面張力系數(shù)測試儀測量了水和鹽水的表面張力系數(shù)，該儀器通過液體流出培養(yǎng)皿以降低液面的高度，達到拉脫液膜的目的，避免了手動降低培養(yǎng)皿平臺帶來的人為誤差。經過分析確定了流速為3.07 mL/s時，所測量的液體表面張力系數(shù)接近于理論值。液體在不同流速時表面張力系數(shù)差別較大，在0～3.00 mL/s的流速時，因其拉膜所用的時間相對較長，液面空間受到的阻力較大，使得在這些流速下，液體的表面張力系數(shù)不穩(wěn)定，百分誤差較大;當液體流速達到3.00 mL/s時，拉膜的所用的時間逐漸縮小，液面空間受到的阻力相對穩(wěn)定，所測量的液體表面張力系數(shù)與標準值接近且表面張力系數(shù)的百分誤差小于1%，當流速為3.07 mL/s時，該表面張力更接近于理論值，相對誤差僅為0.02%。

表2 不同流速時液體的表面張力系數(shù)

圖4 不同流速時水和鹽水的表面張力系數(shù)

4 結 論

研制了新型的液體表面張力系數(shù)測試儀，測量了不同流速時液體的表面張力系數(shù)，該儀器通過液體流出培養(yǎng)皿以降低液面的高度，達到拉脫液膜的目的，避免了手動降低培養(yǎng)皿平臺帶來的人為誤差。經過分析確定了流速為3.07 mL/s時，所測量的液體表面張力系數(shù)接近于理論值。隨流速增加，表面張力系數(shù)先減小，后迅速增加，當水的流速達到2.73 mL/s時，表面張力系數(shù)趨于穩(wěn)定，流速繼續(xù)增加，表面張力系數(shù)幾乎不變;當流速為3.07 mL/s時，該表面張力更接近于理論值，相對誤差僅為0.02%。隨水的水的液體的表面張力趨于穩(wěn)定，該值與理論值較接近。當液體流速達到3.00 mL/s時，拉膜的所用的時間逐漸縮小，液面空間受到的阻力相對穩(wěn)定，所測量的液體表面張力系數(shù)與標準值接近且表面張力系數(shù)的百分誤差小于1%。

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