半球壳排液体测量液体表面张力系数的方法
【专利摘要】半球壳排液体测量液体表面张力系数的方法涉及物理参数测量。技术方案是：球壳外侧半径为R的半球壳，平均密度为液体密度的0.5-0.8倍；向溢水槽注入液体，直到溢水槽上端边缘的导流沟有液体溢出到导流沟下端的水杯，在导流沟的末端停止滴液体时，测量水杯的质量m1，然后将水杯放置在导流沟末端的正下方；测量半球壳的质量m，使半球壳开口朝上、将半球壳缓慢地放入到溢水槽内，导流沟的末端有液体流入到水杯，等到导流沟末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-m1)]*g；液体的表面张力系数σ=[m-(m2-m1)]*g/(2*π*R2)，R2为液面与球壳接触圆的半径。有益效果是：本发明的结构简单，成本低廉，操作容易。
【专利说明】半球壳排液体测量液体表面张力系数的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及物理参数的测量，特别是液体表面张力系数的测量。
【背景技术】
[0002]测量液体表面张力系数的方法常见的有:最大气泡压法，毛细管法，拉脱法等，测量方法要么装置比较复杂，比如最大气泡压法、拉脱法；要么测量的精度不高，毛细管法虽然简单，但是液面弯曲，测量液柱的高度不够准确，由于毛细管外侧的液面也沿着毛细管外侧的管壁上升，因此，在确定液面的水平位置的坐标值比较困难，从而导致确定毛细管内侧的液柱的高度差比较困难。
【发明内容】
[0003]本发明提出一种新型的表面张力测量方法。
[0004]技术方案是:半球壳排液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是:一个半球壳，其球壳外侧的半径为R，半球壳的底部厚、上端薄，底部中心厚度为半球壳开口边缘厚度的3-10倍，其重心向半球壳的底部偏移；半球壳的平均密度为半球壳的质量m与半球壳外部所围成的半球体积为2 π R3/3相除，平均密度=m/ (2 R3/3)，半球壳的平均密度为液体密度的0.5-0.8倍，此处的液体密度指一个标准大气压下维持液态的最大密度；一个溢水槽，向溢水槽注入液体，直到溢水槽上端边缘的导流沟有液体溢出到导流沟下端的水杯，导流沟的末端向下弯曲，有利于溢水槽溢出的液体流到水杯内，在导流沟的末端停止滴液体时，将水杯的液体转移到储液罐，测量水杯的质量ml，然后将水杯放置在导流沟末端的正下方；测量半球壳的质量m，使半球壳开口朝上、将半球壳缓慢地放入到溢水槽内，缓慢放入的目的要确保液面不会出现波浪和导流沟末端不会出现液体喷射，随着半球壳的缓慢放入溢水槽，导流沟的末端有液体流入到水杯，最后放开半球壳，等到导流沟末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-ml)]*g，其中g为重力加速度；液体接触半球壳的部分为一个球冠，球冠是一个面，没有体积，球冠所围的部分叫做球缺，球缺的体积V计算公式是V= ( Ji /3) * (3R-h) *h2，式中R是球的半径，h是球缺的高，根据浮力原理，球冠所排液体的质量应该等于半球壳的质量，即P*V= m，其中P为液体的密度，从而计算出h，由h计算出液面液体接触半球壳所在圆的半径R2=[R2-(R-h)2r°_5，则 2*3i*R2*o=[ m-(m2-ml)]*g,其中 σ 为液体的表面张力系数，贝U σ =[ m_(m2_ml) ]*g/(2* *R2)。
[0005]有益效果是:半球壳的底部厚、上端薄，可以设计为底部中心厚度为上端开口边缘厚度的3-10倍，其重心向半球壳的底部偏移，有利于增强其稳定性，减少其放入液体中产生的摇晃；相对于现有技术的难调节、高成本，本发明的结构简单，成本低廉，操作容易。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是半球壳示意图，图2半球壳纵剖示意图，图3是溢水槽和水杯示意图，图4是球冠示意图。
[0007]其中，1、半球壳，2、半球壳开口，3、溢水槽，4、导流沟，5、水杯。
【具体实施方式】
[0008]一个半球壳1，其外部球壳的半径为R，由于是半球壳，也就是半球壳开口 2所在的圆的外侧半径为R，半球壳1的底部厚、上端薄，形变发生在半球壳内侧、外侧为标准的球形，如图2所示，也就是其重心向半球壳1的底部偏移；半球壳1的平均密度为半球壳1的质量m与半球壳1外部所围成的球缺的体积(半球体积)为2 π R3/3相除，平均密度=m/(2 R3/3)，半球壳1的平均密度小于液体的密度，最佳取值为液体密度的0.5-0.8倍，由于液体密度随着温度变化有较大变化，随着压强变化相对较小，此处的液体密度指一个标准大气压下维持液态的最大密度。
[0009]—个溢水槽3,溢水槽3内侧的半径为半球壳1外侧半径的1.5-2倍为最佳，向溢水槽3注入液体，直到溢水槽3上端边缘的导流沟4有液体溢出到导流沟下端的水杯5，导流沟4的末端向下弯曲，有利于溢水槽3溢出的液体流到水杯5内。当导流沟4的末端停止滴液体时，将水杯的液体转移到储液罐(相对于天平的测量量程，当液体的量较少时，也可以不转移液体)，测量水杯5的质量ml，然后将水杯5放置在导流沟4的末端正下方；测量半球壳的质量m，使半球壳开口 2朝上、将半球壳1缓慢地放入到溢水槽3内，缓慢放入的目的是为了确保液面不会出现波浪和导流沟4末端不会出现液体喷射，随着半球壳1的缓慢放入溢水槽3，导流沟4的末端有液体流入到水杯，最后放开半球壳1，等到导流沟4末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯5的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-ml)]*g，其中g为重力加速度。
[0010]对于表面张力的理解，一个物体漂浮在液面上，其浮力等于物体的重量，由于表面张力的作用，对于能够被液体浸润的物体，液体会有一部分粘附于物体表面，被漂浮物体排开的流入水杯的液体体积应该是液面以下的部分，本处的液面不是指与物体接触处的液面，而是远离接触处的液面。根据浮力原理，排开的体积V与液体密度P相乘p*v与物体的质量m相等，但是由于表面张力的作用，一部分液体高于液面的高度并粘附在物体上，在本发明中，这部分液体不能通过导流沟4流出，该部分的质量为m-(m2-ml)。
[0011]液体接触半球壳1的部分为一个球冠，球冠是一个面，没有体积。球冠所围的部分叫做球缺(参看图4)。球缺的体积计算公式是V= (^1/3)*(31?-11)#12，式中1?是球的半径，11是球缺的高，根据浮力原理，球冠所排液体的质量应该等于半球壳1的质量，即P*V= m(此处应该是P *V=由于表面张力较小，m近似为m2_ml),从而计算出h,由h计算出液面液体接触半球壳1所在圆的半径R2=[R2-( R-h) 2] ~0.5，则2* Ji *R2* σ =[ m-(m2_ml) ]*g，其中σ为液体的表面张力系数，g为重力加速度，则σ =[ m-(m2-ml)]*g/(2*Ji*R2)。
[0012]对于纯水，20摄氏度的表面张力系数为0.073N/m,其中N/m为牛顿/米，如果 R 取 10.00cm,平均密度取 0.5g/cm3，则 m=1047 克，h=6.53cm, R2=9.37cm,表面张力为2* ji *R2* σ =0.0429Ν,当重力加速度去ΙΟΝ/Kg，则表面张力相当于4.29克质量所受的重力，即m-(m2-ml)=4.29克，在当今的实验室的电子天平或者其它天平都能够测量这样的一个差值(4.29克)，比如，在网络上能够查询到，电子精密天平-JH3102，量程:3100g，精度:10mg (即0.01克)，因此，本发明具有可实施性。
【权利要求】
1.半球壳排液体测量液体表面张力系数的方法，其特征是:一个半球壳(I)，其球壳外侧半径为R，半球壳(I)的底部厚、上端薄，其重心向半球壳(I)的底部偏移；半球壳(I)的平均密度为半球壳(I)的质量m与半球壳(I)外部所围成的半球体积为2 π R3/3相除，平均密度=m/(2 π R3/3)，半球壳(I)的平均密度为液体密度的0.5-0.8倍，此处的液体密度指一个标准大气压下维持液态的最大密度；一个溢水槽(3)，向溢水槽(3)注入液体，直到溢水槽(3)上端边缘的导流沟(4)有液体溢出到导流沟下端的水杯(5)，导流沟(4)的末端向下弯曲，有利于溢水槽(3)溢出的液体流到水杯(5)内，在导流沟(4)的末端停止滴液体时，将水杯(5)的液体转移到储液罐，测量水杯(5)的质量ml，然后将水杯(5)放置在导流沟(4)末端的正下方；测量半球壳的质量m，使半球壳开口( 2)朝上、将半球壳(I)缓慢地放入到溢水槽(3)内，缓慢放入的目的要确保液面不会出现波浪和导流沟(4)末端不会出现液体喷射，随着半球壳(I)的缓慢放入溢水槽(3 )，导流沟(4)的末端有液体流入到水杯，最后放开半球壳(I )，等到导流沟(4)末端没有液体滴落时，测量容纳着液体的水杯(5)的质量m2，则液体的表面张力为[m-(m2-ml)]*g，其中g为重力加速度；液体接触半球壳(I)的部分为一个球冠，球冠是一个面，没有体积，球冠所围的部分叫做球缺，球缺的体积V计算公式是V= ( Ji/3)*(3R-h)*h2，式中R是球的半径，h是球缺的高，根据浮力原理，球冠所排液体的质量应该等于半球壳(I)的质量，即P*V= m，其中P为液体的密度，从而计算出h，由h计算出液面液体接触半球壳(I)所在圆的半径R2=[R2-(R_h)2] ~°_5，则2* π *R2* σ =[m-(m2-ml)]*g,其中 σ 为液体的表面张力系数,则 σ =[ m_(m2_ml) ]*g/(2* π *R2)。
【文档编号】G01N13/02GK104406891SQ201410706463
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】李娟 , 胡再国, 饶大庆, 雍志华, 罗明蓉, 穆万军, 邹旭敏, 王维果, 梁雅庭, 程艳, 刘石丹, 于白茹, 李伟, 梁小冲, 李紫源, 田野中, 朱俊, 何原 申请人:四川大学