不同泥沙含量河水的表面张力系数测定

吴学兵,蔡 彦,杨海燕

(昭通学院 物理与信息工程学院,云南 昭通 657000)

液体性质的研究中,液体的表面张力系数是一个重要参数,跟液体的种类、温度、杂质含量有关[1,2]。目前液体表面张力系数在众多行业中都有所拓展应用,在物理学、化学、医学等研究领域具有重要意义。本文基于拉脱法[3,4]探究不同泥沙含量、温度条件下河水表面张力系数[5],对研究自然现象有一定意义,本实验可作为物理实验的补充,激发学生好奇心和探索欲。

1 实验原理

1.1 实验仪器

本实验所用到的实验仪器有:FD-NST-1型液体的表面张力系数测定仪(上海复旦天欣教仪有限公司);DM-T数字温度计和加热器。其中FD-NST-1型液体的表面张力系数测定仪主要结构是:底座(调节螺丝);立柱;横梁;力敏传感器;数字式亳伏表;有机玻璃器皿;标准砝码(砝码盘);圆筒形吊环,实验装置如图1所示。

图1 实验装置示意图

1.2 实验原理

将清洁吊环浸入液体中,然后缓慢提起直至摆脱液面,过程中吊环将会带起一层液膜。图2为吊环提起过程受力情况,有平衡方程

F-mg-m0g-f1cosθ-f2cosθ=0 ,

(1)

式中:F为拉起液膜破裂时的拉力;m为吊环质量;m0为附着在吊环上的液体质量;f为内、外表面液体的张力;θ为湿润角。

图2 吊环受力图

因液膜拉断瞬间θ=0,表面张力f均垂直向下;且吊环很薄,被拉起的液膜也很薄,m0很小可以忽略。液膜拉断瞬间前后吊环受力平衡方程为

F1-ng-f1-f2=0 ,

(2)

F2-mg=0 ,

(3)

式中:F1、F2为液膜拉断前后瞬间吊环所受拉力。

根据液体表面张力的大小与接触面周边界长度成正比,则有:

f1+f2=απ(D1+D2) ,

(4)

式中:D1、D2分别为吊环的内外直径;α为液体的表面张力系数。

由于微小力F不方便直接测量,因此使用力敏传感器[6,7]通过数学关系转换为电压值,从而实现对非电学量的间接测量,完成实验数据的采集。输出电压与拉力成正比,即

U=BF ,

(5)

式中:U为输出电压;F为力敏传感器所受拉力;B为力敏传感器的灵敏度。

联立(1)～(5)式可有:

(6)

式中:U1、U2液膜拉断前后瞬间力敏传感器输出的电压值。

2 实验与数据分析

本文运用云南山泉矿泉水配置模拟河水,通过控制变量法[8]改变河水泥沙含量、温度,测量河水在澄清和悬浊两种状态下的表面张力系数,探究不同泥沙含量、温度对河水表面张力系数的影响,对比分析在澄清和悬浊状态下河水表面张力系数的变化情况。用游标卡尺测量金属圆环:外径D1=34.80mm,内径D2=33.22mm,昭通地区重力加速度(g=9.792m/s2),测量结果如下:

表1 力敏传感器定标

由表1得到的实验数据可作力敏传感器定标拟合图,如图3所示。

m/g

表2 不同泥沙含量澄清河水表面张力系数(12±0.2) ℃

由表2得到的实验数据可作下不同泥沙含量澄清状态河水表面张力系数变化趋势图,如图4所示。

m(g/100 mL)

表3 不同泥沙含量悬浊河水表面张力系数(12±0.2) ℃

由表3得到的实验数据可作12 ℃下不同泥沙含量悬浊状态河水表面张力系数变化趋势图,如图4所示。

表4 在泥沙含量为5(g·100 mL-1)下不同温度澄清河水表面张力系数

由表4得到的实验数据可作在泥沙含量为5(g·100 mL-1)下不同温度澄清河水表面张力系数变化趋势图,如图5所示。

t/℃

表5 在泥沙含量为5(g·100 mL-1)下不同温度悬浊河水表面张力系数

由表5得到的实验数据可作在泥沙含量为5(g·100 mL-1)下不同温度悬浊河水表面张力系数变化趋势图,如图6所示。

将测得力敏传感器定标数据使用Origin软件[9,10]进行拟合,拟合直线如图3所示,可得力敏传感器灵敏度B=3.186V/N。

t/℃(a)

t/℃(b)

由于云南山泉矿泉水和纯净水存在一定差异,实验测得(120.2)时矿泉水的表面张力系数测量值为72.88mN/m,查表得出理论值为73.93mN/m,测量相对误差为1.42%,说明该仪器的测试误差较小以及该实验原理的可行。从图4可以看出,在温度一定下,由于泥沙中含有的一定量无机盐溶于水,形成水合阴、阳离子,二者带相反电荷,增加相互吸引力从而增大表面张力,并且在吊环上升过程中水面含泥沙量降低,因此在0～1.5(g·100 mL-1)微小范围内河水表面张力系数随着泥沙含量增加而增大;但泥沙增多会显著使河水表面张力系数越来越小,泥沙加得越多对表面张力系数的影响越大,因此在1.540(g·100 mL-1)大范围内河水表面张力系数随着泥沙含量增加而减小,此实验结论与已报道文献的实验结论基本吻合[11,12];并且从图4还可以看出增加的泥沙量如果按倍数加入,加入泥沙的倍数和表面张力系数减小的量大致上呈线性关系。从图5～图6可以看出,在泥沙含量一定下,河水的表面张力系数随着温度的升高而逐渐降低,进行拟合后基本呈现线性关系,此实验结论与已报道文献的实验结论基本吻合[13]。从图4～图5可以看出,河水在悬浊状态下的表面张力系数变化整体上大于澄清状态下的表面张力系数。通过实测、计算、作图并进行拟合,结果表明泥沙含量、温度对河水表面张力系数影响较大。

3 结 论

本文从物理实验《拉脱法测液体表面张力》出发,探究不同泥沙含量、温度对河水表面张力系数的影响,并对澄清和悬浊状态下河水表面张力系数的变化情况进行具体对比分析。虽然在具体实验过程中受仪器老化、控温精度不够、电压显示滞后等因素影响,测得数据存在一定偏差,但是整体变化情况与理论相符合。该实验结果可供相关物理实验课程参考。