常温液体表面张力快速测定

吴易伟

(株洲九方装备股份有限公司,湖南株洲 430200)

1 引言

表面张力是常温的基本物理属性,在许多方面反映了常温液体的性质,研究常温液体的表面张力快速检测方法,对于人们日常的生产生活有重要的意义[1～4]。迅速地检测出常温液体的表面张力及其变化,可以快速地得出液体情况,例如牛奶是否变质等。液体表面张力检测正在引起人们的重视,经过科研工作者多年研究与实践,检测方法较为完善并为人们所掌握。但随着科学技术的不断进步,对各类材料的性能提出了更高的要求,同时也为研究和开发先进实用的材料质量监测手段提供了必要的手段。

2 气泡幅频当量法

2.1 气泡幅频当量法的原理

以往的表面张力测定方法所用设备相对复杂,且有操作烦琐等缺点,在最大气泡压力法[5]的基础上提出的“气泡幅频当量法”[6],其基本思想就是变静力学测试为动力学测试,将缓慢吹气变为每秒钟吹5～6个气泡,同时不再测量泡内最大绝对压力,而改为测量气泡内相对气压差和每秒内产生气泡个数。该方法用气泡压力变化幅值 ΔP、气泡个数N和毛细管管径Φx与标准管径Φ0之差3个参数经数学模型计算后得到幅频当量,其数值的大小即表征了液体表面张力的大小,称为当量表面张力。

图1 气泡幅频当量法测定表面张力原理图

2.2 气泡幅频当量法中的参数关系

选定一个毛细管,用它向某一液体吹气,如将其出气速度固定,当毛细管吹气过程中插入深度发生变化时,记录的毛细管内压力变化如图1曲线2所示。从图中可以看出,当毛细管插入深度由h2减为h3时,对应的气泡压力起始值也相应的由P2减为P3,其数值与公式中ρghi相关。同时气泡生成的周期T和气泡内压力变化幅值P也将发生变化,其变化规律是,随插入深度减小,P减小,T减小,但用P和T二参数适当处理所形成的当量(a×T+P×b)却保持恒定。考虑到毛细管管径对气泡内压力幅值的影响,幅频当量即当量表面张力可用下式求得:

式中a、b、c为修正系数,T为气泡生成的周期,ΔP为气泡内压力变化幅值,φ0为毛细管标准管径,φx为测量用毛细管管径。该值只与被测液体本身性质有关,而与毛细管插入深度无关,避免了最大气泡压力法对插入深度稳定性的苛刻要求。由于当毛细管内径2mm左右时,气泡内压力变化仍可出现等幅振荡的特征,这又为制造内径相等的毛细管提供了极大的方便。为进一步提高测试的精度,减小误差,可以将深度固定,并同时计下在测试时间内形成的气泡个数N和泡压幅值△P。在气流量一定的条件下,气泡个数越多,说明气泡逸出所受到的阻力(2σ/r)越小。即△P越小。通过大量记录△P和N的数值,经过数据处理,即可计算出表面张力的大小,这就是气泡幅频当量法。

3 表面张力快速测试试验

3.1 试验步骤

利用以“气泡幅频当量法”为理论依据研制出的简易常温液体表面张力快速测试装置,在室温下对水、酒精、肥皂水等常温液体进行了大量的模拟试验,试验步骤如下。

(1)将常温液体到入一尺寸合适的容器中(如烧杯等)。

(2)打开总电源和气泵电源,并将气路切换到测管径状态。

(3)装上探头(应注意不要漏气),按下自测键,从显示器上读出管径的大小。

(4)将气路切换到测表面张力状态,按下测试键。

(5)将探头缓缓插入液体,当听到蜂鸣器发声时保持探头静止不动。蜂鸣器停止发声后将探头从液体中取出。

更换探头或液体,重复上述实验步骤。在实验室条件下,对几种不同常温液体(水、油、肥皂水)分别做了实验。

3.2 试验结果分析

在常温条件下进行了表面张力测试实验。测试时所用的毛细管内径约为1.7～2.5mm。利用仪器自检功能检测毛细管内径,利用测试功能测定固定时间内所吹气泡个数N以及气泡内最大压差平均值△P,重复性较好。在采用同一内径的毛细管测量不同的液体时,液体表面张力越大,气泡幅值△P越大,气泡个数N值越小;当使用不同毛细管内径的探头时,△P值和N值也随之改变。因此,为了适用不同内径毛细管测量,需要在模型中加入修正项,其当量表面张力可用下面公式计算测量:

式中a、b、c为修正系数,T为气泡生成的周期,ΔP为气泡内压力变化幅值,φ0为毛细管标准管径,φx为测量用毛细管管径。利用简易装置,通过对几种常温液体表面张力进行的模拟实验,实验数据表明在规定的条件下,气泡压力曲线确实是一条等幅振荡曲线。通过反复模拟实验,得出如下结论。

(1)须对气泡逸出的速度进行控制。速度太快影响精度,太慢影响测试速度。因此进气量的大小即进气阀的开启程度必须选择合适,经细心调节到适宜的速度后固定下来,否则将严重影响测试结果。

(2)在进气量大小一定的情况下,表面张力不同的介质泡压振幅有差别,其气泡个数也不一样,测试在同一管径、同一进气量、同一室温下进行。表面张力越大,其气泡压力振幅越大。表面张力稍有变化,就可以在振幅上和个数上反映出来。这说明用压力振幅历来表征表面张力的方法具有较高的分辨率。

(3)气源压力的大小以及毛细管插入液体的深度变化不大时,其对达到平衡时的等幅振荡幅值的大小影响很小。

(4)毛细管内径的大小对于出现等幅震荡特征的影响并不很大,即便有影响,也可以识别出来作为修正参数,这一点可为制造毛细管提供方便。另外,必须保证气体管路的顺畅和气密性,测试结果才比较可靠。

(5)为提高测试精度,必须测出或固定h值。本测试系统有较高的分辨率,具有较好的重复性。在实验室条件下,通过该系统对水、水玻璃等常温液体的表面张力进行测试,得出小表面张力的常温液体当量表面张力计算模型为:

[1]万春华.大学物理实验[M].南京:南京大学出版社,1994.

[2]崔国文.表面与接口[M].北京:清华大学出版社,1990.

[3]陈传煊.表面物理化学[M].北京:科学技术文献出版社,1995.

[4]HIEMEN PC.胶体与表面化学原理[M].北京:北京大学出版社,1986.

[5]贾玉润,王公冶,凌佩玲.大学物理实验[M].上海:复旦大学出版社,1987.

[6]Li Dayong.A new method and device fo r calcu lating grapHite shape in cast iron in front of the furnace[J].International Jou rnal of Cast M etal Research,1999,11(5):387～390.