底部有孔半球殼排液體測量液體表面張力系數的方法

文檔序號:6250659
底部有孔半球殼排液體測量液體表面張力系數的方法
【專利摘要】底部有孔半球殼排液體測量液體表面張力系數的方法涉及物理參數的測量,技術方案是:一個空心的半球殼,其內部半球半徑為R內、外部半球半徑為R外,空心半球殼的底部有一個通孔;半球殼的平均密度為液體密度的0.5-0.8倍;向溢水槽注入液體,直到溢水槽上端邊緣的導流溝有液體溢出到導流溝下端的水杯;當導流溝的末端停止滴液體時,測量水杯的質量m1,然后將水杯放置在導流溝的末端正下方;測量半球殼的質量m,將半球殼緩慢地放入到溢水槽內,等到導流溝末端沒有液體滴落時,測量容納著液體的水杯的質量m2,液體的表面張力系數σ=[m-(m2-m1)]*g/[2*π*(R2外+R2內)],其中為R2內和R2外為球殼內外液面接觸圓的半徑。有益效果是:本發明的結構簡單,成本低廉,操作容易。
【專利說明】 底部有孔半球殼排液體測量液體表面張力系數的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及物理參數的測量,特別是液體表面張力系數的測量。

【背景技術】
[0002]測量液體表面張力系數的方法常見的有:最大氣泡壓法,毛細管法,拉脫法等,測量方法要么裝置比較復雜,比如最大氣泡壓法、拉脫法;要么測量的精度不高,毛細管法雖然簡單,但是液面彎曲,測量液柱的高度不夠準確,由于毛細管外側的液面也沿著毛細管外側的管壁上升,因此,在確定液面的水平位置的坐標值比較困難,從而導致確定毛細管內側的液柱的高度差比較困難。


【發明內容】

[0003]本發明提出一種新型的表面張力測量方法。
[0004]技術方案是:底部有孔半球殼排液體測量液體表面張力系數的方法,其特征是:一個空心的半球殼,其內側球面的半徑為R#外側球面的半徑為R#,空心半球殼的底部有一個通孔,空心半球殼的內部的外側和外部的內側,設計為底部的材料厚、上端材料薄,并關于中心軸對稱分布,使其重心向半球殼的底部偏移;半球殼的平均密度為半球殼的質量m與半球殼的體積2 π (R外3/3- R,/3)相除,平均密度=m/[2 π (R外3/3- R,/3)],半球殼的平均密度為液體密度的0.5-0.8倍,此處的液體密度指一個標準大氣壓下維持液態的最大密度;一個溢水槽,向溢水槽注入液體,直到溢水槽的上端邊緣的導流溝有液體溢出到導流溝下端的水杯,導流溝的末端向下彎曲,有利于溢水槽溢出的液體流到水杯內;當導流溝的末端停止滴液體時,將水杯的液體轉移到儲液罐,測量水杯的質量ml,然后將水杯放置在導流溝的末端正下方;測量半球殼的質量m,使半球殼開口朝上、將半球殼緩慢地放入到溢水槽內,緩慢放入的目的要確保液面不會出現波浪和導流溝末端不會出現液體噴射,隨著半球殼的緩慢放入溢水槽,導流溝的末端有液體流入到水杯,最后放開半球殼,使半球殼浮在液面上,等到導流溝末端沒有液體滴落時,測量容納著液體的水杯的質量m2,則液體的表面張力為[m-(m2-ml)]*g,其中g為重力加速度;液體接觸半球殼的部分為一個球冠,球冠所圍的球缺的體積V=( π/3) * (3R-h) *h2,式中R是球的半徑,h是球缺的高,根據浮力原理,球冠所排液體的質量應該等于半球殼的質量,即P *Vft7jc= m, Vft7jc = ( /3)*(3R外-h外)*h外2- ( Ji/3)*(3Rrt-h內)*hrt2,液體通過通孔連通,半球殼的內外,液面是等高的,因此R外-Rrt= h外-h內,從而計算出h外和h內,由h外和h內計算出液面液體接觸半球殼所在圓的半徑尺2外=[R外2-(R外-h外)2 Γ0.5和R2內=[R內2- (R內_h內)T0.5,則表面張力2* JI* (R2外+R2內)*σ=[g,其中σ為液體的表面張力系數,貝U σ =[ m- (m2-ml)]* g /[2* π * (R2 外 + R2 內)]。
[0005]有益效果是:半球殼的底部厚、上端薄,其重心向半球殼的底部偏移,有利于增強其穩定性,減少其放入液體中產生的搖晃;底部有孔,使球殼內外液體連通,增大表面張力,減少球殼的體積,從而增加表面張力相對于球殼重力的比值,降低對天平測量量程和精度的要求;本發明使用的是平均密度,通孔所占體積對測量沒有影響;通孔處于液體內部,不是位于液體表面,也沒有表面張力存在,因此對表面張力的大小也沒有影響;相對于現有技術的難調節、高成本,本發明的結構簡單,成本低廉,操作容易。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是半球殼示意圖,圖2半球殼縱剖示意圖,圖3是溢水槽和水杯示意圖,圖4是球冠示意圖。
[0007]其中,1、通孔,2、半球殼,3、半球殼開口,4、溢水槽,5、導流溝,6、水杯。

【具體實施方式】
[0008]一個空心(中空)半球殼2,由具有共同球心的兩個半球面密封而成,其內側球面的半徑為R外側球面的半徑為R#,空心半球殼2的底部有一個通孔1,由于是半球殼,也就是半球殼開口 3所在的圓環的外圓半徑為R#、內圓半徑為[email protected],半球殼2內部的外側和外部的內側,最佳設計為底部的材料厚、上端材料薄(形變發生在內外兩個半球形面圍成的空腔內側,不影響半球殼2外部的半球形面的形狀),并關于中心軸對稱分布(旋轉體),如圖2所示,也就是使其重心向半球殼2的底部偏移,有利于增強其穩定性;半球殼2的平均密度為半球殼2的質量m與半球殼2的體積為2 (R^h 3/3- Rrt3/3)相除(相對于半球殼的內徑和外徑,通孔I的尺寸可以設計得比較小,從而忽略其對體積計算的影響),平均密度=m/[2Ji (R^h3/3- R#3/3)],半球殼2的平均密度小于液體的密度,最佳取值為液體密度的0.5-0.8倍,由于液體的密度隨著溫度變化而變化,此處的液體密度最好選擇液體的最大密度(一般為在標準大氣壓下維持液態的最低溫度)。
[0009]一個溢水槽4,向溢水槽4注入液體,直到溢水槽4上端邊緣的導流溝5有液體溢出到導流溝下端的水杯6,導流溝5的末端向下彎曲,有利于溢水槽4溢出的液體流到水杯6內。當導流溝5的末端停止滴液體時,將水杯的液體轉移到儲液罐(液體量比較少,也可以不轉移),測量水杯6的質量ml,然后將水杯6放置在導流溝5的末端正下方;測量半球殼的質量m,使半球殼開口 3朝上、將半球殼2緩慢地放入到溢水槽4內,緩慢放入的目的是為了確保液面不會出現波浪和導流溝5末端不會出現液體噴射,隨著半球殼2的緩慢放入溢水槽4,導流溝5的末端有液體流入到水杯,最后放開半球殼2,使半球殼2浮在液面上,等到導流溝5末端沒有液體滴落時,測量容納著液體的水杯6的質量m2,則液體的表面張力為[m- (m2-ml) ] *g,其中g為重力加速度。對于非浸潤的液體,液面向下彎曲,則排出的液體質量大于半球殼I的質量,因此此時的表面張力為[(m2-ml)-m]*g。
[0010]對于表面張力的理解,一個物體漂浮在液面上,其浮力等于物體的重量,由于表面張力的作用,對于能夠被液體浸潤的物體,液體會有一部分粘附于物體表面,其被漂浮物體排開的流入水杯的液體體積應該是液面以下的部分,本處的液面不是指與物體接觸處的液面(該處液面發生彎曲),而是遠離接觸處的液面(液體水平面)。排開的體積V與液體密度P相乘P *v與物體的質量m相等,但是由于表面張力的作用,一部分液體高于液面的高度并粘附在物體上,在本發明中,這部分液體不能通過導流溝5流出,該部分的質量為m-(m2-ml)。
[0011]液體接觸半球殼2的部分為一個球冠,球冠是一個面,沒有體積。球冠所圍的部分叫做球缺,參考圖4。球缺的體積計算公式是V= (^1/3)*(31?-11)#12,式中1?是球的半徑,11是球缺的高,根據浮力原理,球冠所排液體的質量應該等于半球殼2的質量,S卩P*Vfi_= m(此處應該是m2-ml,只是由于表面張力相對于m較小,m近似為m2_ml ),V ft7jc= ( π /3) * (3R外-h外)*h外2- ( Ji/3)*(3R內-h內)*h內2,因為液體通過通孔I連通,半球殼2的內外,液面是等高的,因此R外-Rrt= h外-h內,從而計算出h外和h內,由h外和h內計算出液面液體接觸半球殼2所在圓的半徑R2外=[R外2-(R外-h外)2Γα5和尺2內=[R內2-( R內-h內)2 Γ0.5,則(R2外+ R2內)*σ=[ m_ (m2_ml) ] *g,其中σ為液體的表面張力系數,g為重力加速度,貝丨J σ =[ m-(m2-ml)]*g/[ 2* π * (R2外 + R2 內)]。
[0012]對于純水,20攝氏度的表面張力系數為0.073N/m,其中N/m為牛頓/米,如果R外取10.00cm、R內取 8.0Ocm,通孔的直徑取 3-10mm,平均密度取 0.5g/cm3,貝[|m=0.5 g/cm3*[2 n (R外 3/3_ R 內 3/3) ] =511 克,h 內=2.34cm, h 外=(10.00-8.00) +2.34=4.34cm, R2 外=8.23cm, R2內=5.66cm,表面張力2* 31* (R2外+以內)*0 =0.0641在重力加速度取1(^/敁的粗略估計下,表面張力大致相當于6.4克物體產生的重力,即m-(m2-ml)=6.4克,在當今的實驗室的電子天平或者其它天平,在量程1000克(測量本實驗空心球殼質量511克所需要的量程),都能夠比較準確測量這樣的一個差值(6.4克),比如,在網絡上能夠查詢到,電子精密天平-JH3102,量程:3100g,精度=1mg (即0.01克),因此,本發明具有可實施性。
【權利要求】
1.底部有孔半球殼排液體測量液體表面張力系數的方法,其特征是:一個空心的半球殼(2),其內側球面的半徑為I?#,外側球面的半徑為?卜,空心半球殼(2)的底部有一個通孔(1),空心半球殼(2 )的內部的外側和外部的內側,設計為底部的材料厚、上端材料薄,并關于中心軸對稱分布,使其重心向半球殼(2)的底部偏移;半球殼(2)的平均密度為半球殼(2)的質量111與半球殼(2)的體積2 16,/3)相除,半球殼(2)的平均密度為液體密度的0.5-0.8倍,此處的液體密度指一個標準大氣壓下維持液態的最大密度;一個溢水槽(4),向溢水槽(4)注入液體,直到溢水槽(4)的上端邊緣的導流溝(5)有液體溢出到導流溝下端的水杯(6),導流溝(5 )的末端向下彎曲,有利于溢水槽(4)溢出的液體流到水杯(6)內;當導流溝(5)的末端停止滴液體時,將水杯的液體轉移到儲液罐,測量水杯(6)的質量舊,然后將水杯(6)放置在導流溝(5)的末端正下方;測量半球殼的質量III,使半球殼開口(3)朝上、將半球殼(2)緩慢地放入到溢水槽(4)內,緩慢放入的目的要確保液面不會出現波浪和導流溝(5)末端不會出現液體噴射,隨著半球殼(2)的緩慢放入溢水槽(4),導流溝(5)的末端有液體流入到水杯,最后放開半球殼(2),使半球殼(2)浮在液面上,等到導流溝(5)末端沒有液體滴落時,測量容納著液體的水杯(6)的質量1112,則液體的表面張力為[111-(1112-1111) 其中8為重力加速度;液體接觸半球殼(2 )的部分為一個球冠,球冠所圍的球缺的體積^ ( X /3)式中I?是球的半徑,11是球缺的高,根據浮力原理,球冠所排液體的質量應該等于半球殼(2)的質量,即0轉排水二 111,乂排水^ ( II /3) =1=(3尺外-11外外.2-( X/3) # (31^ )樸#2,液體通過通孔(1)連通,半球殼(2)的內外,液面是等高的,因此尺外-尺內二 11外-11內,從而計算出11外和11內,由11外和11內計算出液面液體接觸半球殼(2)所在圓的半徑尺2外 ? 尺外2-(尺外4外)2廠0'5和尺2內=[尺內2-(尺內-11內)2] 45,則表面張力2*0(尺2外+尺2內111- (1112-1111) 8,其中0為液體的表面張力系數,則0 =1 111-(舊-舊)〕氺.8 /1(1^2 ^ + 尺2 內”。
【文檔編號】G01N13/02GK104406889SQ201410705742
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】李娟 , 胡再國, 何原, 饒大慶, 雍志華, 羅明蓉, 穆萬軍, 鄒旭敏, 王維果, 梁雅庭, 程艷, 劉石丹, 于白茹, 李偉, 梁小沖, 李紫源, 田野中, 朱俊 申請人:四川大學
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