最大气泡压力法测液体表面张力系数的改进

最大气泡压力法测液体表面张力系数的改进 最大气泡压力法测液体表面张力系数的改 进 第27卷第7期 2007年7月 物理实验 PHYSICSEXPERIMENTATION V0I.27No.7 Ju1.,2007 最大气泡压力法测液体表面张力系数的改进 赵宏伟,李茫雪,白士刚 (东北农业大学理学院,黑龙江哈尔滨15003O) 摘要:对最大气泡压力法测定液体表面张力系数的实验原理,方法及仪器进行了研究,提出 用螺旋活塞定量加压 控制气泡的生成速度;用扩散硅气体压力传感器测量压强,测得值数字显示;用双毛细管制 作实验探头,消除了毛细管插 入液体一定深度产生的静压强及待测液体密度等对计算液体表面张力系数的影响,提高了 液体表面张力系数的测量速 度和精度. 关键词:液体表面张力系数;最大气泡压力法;双毛细管探头 中圈分类号:0552.421文献标识码:A文章编号:1005—4642(2007)07—0036—03 最大气泡压力法测定液体表面张力系数是常 用的方法,但传统实验仪器?测量精度不高,操作 上也不方便.针对存在的问题,笔者经过仔细分 析, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了新装置,使它能更好地满足大学物理基 础实验的要求. 1实验原理 传统实验装置如图1所示,将毛细管插入待 测液体,向毛细管缓慢充气.如图2所示,管内液 体被压出管外,随后在管口处形成气泡.气泡在 成长过程中,其内部产生的压强P与液体静压强 pgh及液体表面张力引起的附加压强竺保持动态 , 平衡.因此有如下关系式成立卜.] 9, 一PgJIl+,(1) 图1传统的实验装置 其中:p为待测液体密度,h为毛细管插入待测液 体深度,a为表面张力系数,r为气泡半径. 图2所示的3种气泡状态,只有状态2的气 泡半径为最小,此时气泡半径与毛细管半径R相 等,气泡内压强达到最大值,即 9 =PgJIl+.(2) J, 只要准确测出,p,h,R,用(2)式即可计算出口 的值.但这样计算测量值太多,误差相对较大. 图2实验原理示意图 现在用2根材质相同内径不同(R>R)的 毛细管,同时插入待测液体同一深度,在保持待测 液体温度恒定的情况下,测量2个P值,然后相 减来计算液体表面张力系数,即 Pmmxl~-PgJIl+鲁,(3) 收稿日期:2006—11—07;修改日期:2007—01—08 基金项目:东北农业大学理学院教学研究基金 作者简介:赵宏伟(1966一),男,黑龙江哈尔滨人,东北农业大学理学院高级工程师,学士,主要 从事大学物理实验教学 工作. 通讯作者:李茫雪(1964--),女,黑龙江哈尔滨人,东北农业大学理学院副教授,学士,主要从事 大学物理理论和实验教 学研究工作. 第7期赵宏伟,等:最大气泡压力法测液体表面张力系数的改进37 2一P-t-Za ,(4) (4)式一(3)式有 Ap=pmax2--P…t一2(击一击)a,? 所以 a一A—p.?一_==‘ 设 -- K--, 其中:K为仪器常数,d和d分别为管径大,小 的毛细管端口直径,Ap为两毛细管内产生最大 气泡压强时的压强差.则(6)式为 Ot~---KAp.(7) 按(7)式计算a,不受液体静压强pgh的影 响,不必考虑待测液体密度P,同时P.北一P州也 消除了气泡涨大产生的微小静压强及压力传感器 的零误差,降低了测量的系统误差,提高了a的测 量精度. 2实验仪器 根据(7)式确立的实验原理和方法,经过试 验,设计了一套实验装置,如图3所示. 支架温度计 图3新实验装置示意图 2.1加压装置 根据基础物理实验室的条件,采用螺旋活塞 与打气球联合加压的方式,用打气球快速向系 统充气,使系统达到气泡生成时的临界压力状态, 再用螺旋活塞缓慢定量加压控制气泡生成速度, 使气泡平稳地缓慢逸出.保证气体压力传感器平 稳测出气泡生成过程中的最大压强.活塞腔的初 始体积也起气压缓冲的作用,对延缓气泡充压速 度有一定作用. 2.2测压装置 最大气泡压力法测液体表面张力系数,对测 量气泡内外压强差的仪器要求较高,用扩散硅气 体压力传感器测量压强差].它灵敏度高,稳定 性好,且可以以数字信号显示,利于计算机实时测 量.实验时,传感器探测的信号由同轴电缆线输 出,并与仪器内的放大器及数字电压表相接.当 待测气体为大气压时,数字电压表显示为零.仪 器测量气体压强的灵敏度为20mV/kPa.这种传 感器在大学物理实验中已有很多应用,性能稳定 可靠. 2.3测量探头 选2根管径大小不同的不锈钢毛细管,经试 验,管内径取dl一(3,4)d2,0.500mm?d2? 0.350mm,将2根毛细管的一端对齐磨平,并排 竖直并在接触的侧面处粘接牢固.将这组毛细管 和温度计安装在垂直支架上表面,调节支架座上 的调平螺钉,使支架上表面水平,这样可保证两毛 细管插入液体深度相同. 3实验测试 用2个规格不同的注射器针头作实验,先磨 平针尖,再沿不同的管径方向,用JXD-B型移测 显微镜测量管径,d一1.368mm,一 0.389mm,则K一0.136mm. 再将此2个不锈钢毛细管做成探头,测量瓶 装水在室温(19.5?)条件下的表面张力系数,测 量结果如表1所示.其中:H为实验探头插入瓶 装水中深度,t为瓶装水的温度.2O?时纯水的 表面张力系数为72.75mN/m,U为传感器的测 量值,由表1中数据得O—t~---71.2mN?m,. 表1水的表面张力系数测?数据 38物理实验第27卷 与传统的实验方法比较,采用最大气泡压力 法测量液体表面张力系数,具有下列特点: 1)消除了液体静压强及压力传感器零误差 的影响; 2)不需要测量毛细管插入液体的深度; 3)可测密度未知的液体的表面张力系数; 4)实现了非电量电测,测得值数字显示,容易 准确读取,有利于与计算机联机; 5)实现了主观可控定量加压,更容易产生稳 定的气泡; 6)避免了使用水加压要反复拆装清洗加压瓶 及撒,溅出的水污染实验台的麻烦,也有利于节能 环保; 7)测量时要保持待测液体的温度恒定,室温 与待测液体温差大时,须使用恒温装置; 8)毛细管口要圆,减小直径测量误差,如果实 验室有条件,也可用已知表面张力系数的液体与 待测液体进行测量比较[6],即 a0一 KAp0 CtKAp 则 Ap?(9)一 其中:a.和a分别表示已知液体和待测液体的表 面张力系数,Ap.和Ap分别表示测得的已知液 体和待测液体的气泡内外压强差.测出Ap.和 ?,查出a.,用(9)式可得出口. 参考文献 E13 [23 [3] [43 [5] E63 (8)[73 史永臣,王晓凯.大学物理实验[M].长春:吉林科 学技术出版社,1998.88,9O. 王武孝.液体表面张力测定的探讨[J].物理测试, 1998,(1):38,39. 王国栋.大学物理[M].北京:中国农业出版社, 2004.44,52. 王小平,江键,宋茂海.液膜气泡法测洗涤溶液的表 面张力系数[J].物理实验,2005,25(II):37,38. 刘爱华.传感器在测量空气比热容比实验中的应用 [J].实验科学与技术,2004,12(4):76,78. 任忠明.对液体表面张力系数实验方法的改进[J]. 大学物理实验,1996,(1):25~26. 洪振宇.悬垂液滴研究及表面张力和润湿角测定 [J].物理实验,2006,26(7):1O,12. Researchonthemaximumbubblepressuremethodto measuretheliquidsurfacetensioncoefficient ZHAOHong—wei,LIMang—xue,BAIShi—gang (ScienceCollege,NortheastAgricultureUniversity,Harbin150030,China) Abstract:Inthispaper,theexperimentalprinciple,themethodsandtheinstrumentarestudied tomeasuretheliquidsurfacetensioncoefficientwiththemaximumbubblepressuremethod.Anew methodthatcontrolstheairbubbleproductionspeedwiththescrewtapquotaisproposed,thepres— sureismeasuredwiththeproliferationsilicongaspressuresensor,andtherecordeddataaredisplayed visually.Doublecapillariesaremadeandusedasprobes.Theinfluencesofthedensityandthestatic pressureoftheliquidareeliminated,andthespeedandprecisionareimproved. Keywords:liquidsurfacetensioncoefficient;maximumbubblepressuremethod;doublecapillary probe [责任编辑:郭伟]