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芬蘭Kibron專(zhuān)注表面張力儀測(cè)量技術(shù),快速精準(zhǔn)測(cè)量動(dòng)靜態(tài)表面張力

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純水表面張力與液膜拉伸形變量關(guān)系|純水表面張力測(cè)試數(shù)據(jù)

來(lái)源:合肥師范學(xué)院學(xué)報(bào) 瀏覽 488 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-09

研究液體表面張力隨液體濃度、溫度、壓強(qiáng)等的變化規(guī)律的論著很多,卻很少有人研究液體表面張力隨液面拉伸程度的變化規(guī)律,從而隱喻了一種結(jié)論,即液體在濃度、溫度、壓強(qiáng)等條件不變時(shí),其表面張力的大小不會(huì)隨其表面被拉伸的程度而改變。多部專(zhuān)著都有這樣的經(jīng)典的論述,圖1所示的矩形金屬絲框覆有液膜,其中CD為活動(dòng)邊,長(zhǎng)為l,欲使體系平衡,必須施以適當(dāng)?shù)牧于CD邊上。CD邊在力F作用下克服液膜表面張力的阻礙而移動(dòng)距離Δd,對(duì)體系做功ΔA=F×Δd,F(xiàn)=2γ×l,γ=F/2l為CD邊的液體表面張力系數(shù)。在此論述中,先驗(yàn)地將液體表面張力視為不隨液膜面積變化而改變的恒量。

圖1覆有液膜的矩形金屬框


在用拉脫法測(cè)定液體表面張力時(shí),發(fā)現(xiàn)純水液膜的表面張力隨液膜的拉伸而變化,但受通用液體表面張力測(cè)試儀的性能限制,不能得出準(zhǔn)確的系列數(shù)據(jù)。拉脫法測(cè)量液體表面張力的通用儀器主要存在如下幾方面問(wèn)題:(1)圓環(huán)或“門(mén)”形的拉力框要水平地接觸液面比較困難,且缺乏調(diào)節(jié)其水平程度的手段,拉力框與液面形成10的傾角,即會(huì)帶來(lái)0.5%的測(cè)量誤差;(2)液膜容易受拉力框的擺動(dòng)而破裂,因而得不到研究所需的系列數(shù)據(jù);(3)放置盛液容器的平臺(tái),其上下移動(dòng)一般采用螺桿傳動(dòng)或齒輪齒條傳動(dòng),這種結(jié)構(gòu)使平臺(tái)的下降還不夠緩慢均勻,且有不小震動(dòng),容易造成液膜的突然破裂,使測(cè)試數(shù)據(jù)因來(lái)不及記錄而丟失,影響測(cè)力精度。


實(shí)驗(yàn)采用自主研制的新型液體表面張力測(cè)試儀(中國(guó)專(zhuān)利號(hào)200910116749.1),研究了純水及其它幾種液體的表面張力與液膜拉伸量之間的關(guān)系,得到了準(zhǔn)確的系列數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)了液體的表面張力隨液膜的拉伸量的變化規(guī)律。


1自研實(shí)驗(yàn)儀器介紹


新型表面張力測(cè)試儀基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,該儀器盛有液體(1),儀器采用連通器結(jié)構(gòu),截面積較大的左端放置拉力框(3),截面積較小的右端設(shè)有升降塊(8),旋動(dòng)栓鈕(6)和螺桿(7),可使升降塊(8)上升或下降,從而引起液面相應(yīng)的但速度更緩慢的升降。為減小液面升降時(shí)的波動(dòng),容器的兩端通過(guò)若干均勻分布的小孔相連通。為便于觀測(cè)液面位置,容器壁采用透明的有機(jī)玻璃材料,通過(guò)讀數(shù)顯微鏡確定液面高度。

圖2表面張力測(cè)試儀的基本結(jié)構(gòu)


拉力框的設(shè)計(jì)是本次測(cè)試能否成功的關(guān)鍵之一,其結(jié)構(gòu)如圖3,與通用的拉力框有很大不同。其形狀如漢字中“口”字的形狀,由厚0.25mm薄鋁片制成。上部底緣稱(chēng)之為刀口(9),長(zhǎng)l=50mm,刀口與液面接觸后拉起液膜(2)。拉力框兩側(cè)各寬3mm,其作用是保持拉起的液膜的穩(wěn)定,使之不會(huì)過(guò)早斷裂。拉力框底部設(shè)有張開(kāi)的與框面垂直的翼片(10),可防止拉力框擺動(dòng)。拉力框通過(guò)輕軟細(xì)線(xiàn)懸掛于力敏傳感器(5)上,通過(guò)拉動(dòng)懸線(xiàn)(4),可調(diào)整拉力框與液面的平行度。

圖3拉力框


該結(jié)構(gòu)的拉力方框具有以下特點(diǎn):


1.能夠拉起形狀相當(dāng)規(guī)范的矩形液膜,而不是變形的環(huán)形液膜。


2.拉起的液膜極薄,因此帶起的液體數(shù)量極小,可以忽略其對(duì)表面張力的影響。


3.刀口與液面之間平行度的調(diào)節(jié)非常準(zhǔn)確。


4.較厚重的底部使拉力框浸入液體時(shí)重心較低。其浸入液體的底部及張開(kāi)的翼片,對(duì)各種因素引起的張力框在液體中的擺動(dòng)、扭動(dòng)均形成很大阻尼,可保持張力框在液體中的穩(wěn)定。


2實(shí)驗(yàn)原理及方法


將拉力框置于待測(cè)液體中,調(diào)節(jié)好刀口與液面的平行度。讓液面緩慢上升至與刀口接觸。然后下降液面,形成并拉伸液膜至液膜斷裂。記錄此過(guò)程中液面在不同高度(即液膜不同拉伸長(zhǎng)度)時(shí)的位置及此時(shí)力敏傳感器的讀數(shù)U,根據(jù)f=kU,(力敏傳感器的轉(zhuǎn)換系數(shù)k=340.2×10-6N/mV),可計(jì)算出不同高度的受力大小fn。


當(dāng)液膜拉伸長(zhǎng)度為hn時(shí),力敏傳感器所受力:


fn=G-F浮+F+Fn(1)


式中G為拉力框及其懸線(xiàn)所受之重力。F浮為拉力框浸入液體部分所受之浮力,其隨拉力框浸入液體深度的變化而變化。F為拉力框側(cè)柱所受液體表面張力,本測(cè)試中可認(rèn)為其是一個(gè)恒量。Fn為刀口所受之液面表面張力。


當(dāng)液面下降,液膜高度增大為hn+1時(shí),力敏傳感器所受力:


fn+1=G-(F浮-ΔF浮)+F+Fn+1(2)


式中ΔF浮為液面下降引起的浮力的減少量。


因?yàn)橐好嫦陆蹈淖兊氖抢驕y(cè)柱的浸入深度,所以:


ΔF浮=14.7×(hn+1-hn)×10-6(3)


由(1)(2)兩式可得:


Fn+1=Fn+fn+1-fn-ΔF浮(4)


Fn+1=Fn+k(Un+1-Un)-ΔF浮(5)


F1的準(zhǔn)確計(jì)算至關(guān)重要,當(dāng)液面上升至距刀口較小一個(gè)距離時(shí),液面會(huì)跳躍向上粘住刀口,并引起力敏傳感器讀數(shù)的躍變。液面的跳躍發(fā)生后,以刀口與跳躍時(shí)液面的高度差作為液膜第一次拉伸量h1。由于液面高度沒(méi)有變化,所以不要考慮浮力的變化,但需考慮第一次帶起液膜的重量。


計(jì)算可得F1=ρgldh1=2.073×10-3N


計(jì)算出F1后采用數(shù)據(jù)迭代公式(4)可計(jì)算出不同液膜拉伸形變量對(duì)應(yīng)的表面張力值。


3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4純水表面張力與液膜拉伸形變量關(guān)系


從圖4中可以看出液膜的拉伸可以分為幾個(gè)階段。初始階段,液體表面張力與液膜拉伸量基本成正比,類(lèi)似于金屬應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)彈性階段;中間階段,液體表面張力以非線(xiàn)性變化升至最高,類(lèi)似于金屬的強(qiáng)化階段;后液體表面張力轉(zhuǎn)為下降,最后基本不變,液膜繼續(xù)拉伸而很快斷裂,類(lèi)似于金屬的斷裂階段。

表1純水表面張力測(cè)試數(shù)據(jù)


由表1數(shù)據(jù)可得,線(xiàn)彈性階段液體表面張力與液膜拉伸量基本成正比,比例系數(shù)為2.861N/m。強(qiáng)化階段表面張力系數(shù)最大值為78.14×10-3N/m,液膜斷裂時(shí)表面張力值系數(shù)為73.57×10-3N/m。相同溫度下公認(rèn)的純水表面張力系數(shù)73.75×10-3N/m,可見(jiàn)目前純水表面張力系數(shù)是以液膜斷裂時(shí)的值作為標(biāo)準(zhǔn)值的,并且認(rèn)為是不變的。


4結(jié)論


本實(shí)驗(yàn)表明,上述液體的液膜在拉伸時(shí)表面張力值隨液膜的拉伸而變化,與金屬的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律類(lèi)似。如果能夠證實(shí)各類(lèi)液體普遍具備類(lèi)似性質(zhì),則建議以表面張力與液膜拉伸量成正比階段的比例系數(shù)作為該液體的表面張力的彈性系數(shù);以液膜拉伸中表面張力的最大值作為該液體表面張力的強(qiáng)度極限;以液膜斷裂時(shí)的表面張力值作為該液體表面張力的斷裂極限。


關(guān)于液體表面張力性質(zhì)的再研究,可以改進(jìn)現(xiàn)有的液體表面張力測(cè)量方法,并為確定表面張力(系數(shù))提供更為有效的方法。