模具形態(tài)及濃度對(duì)氣泡大小的影響實(shí)驗(yàn)研究＊

魏元鑫，羅浩，趙福海，楊羽函，穆飛，屈洪勛，譚景云

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模具形態(tài)及濃度對(duì)氣泡大小的影響實(shí)驗(yàn)研究＊

魏元鑫，羅浩，趙福海，楊羽函，穆飛，屈洪勛，譚景云

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621010）

溶液表面張力的客觀存在對(duì)生產(chǎn)生活中涉及到液體、液面的領(lǐng)域都產(chǎn)生重要影響，基于測(cè)量表面張力系數(shù)的拉脫法，對(duì)不同濃度的洗潔精溶液的表面張力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分別用自制模具和規(guī)則吸管進(jìn)行了吹泡實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，表面張力隨洗潔精濃度的增大逐漸上升，直至一定程度之后達(dá)到飽和；模具的不規(guī)則對(duì)氣泡的大小影響較大，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，規(guī)則模具的孔徑對(duì)形成的氣泡大小沒(méi)有明顯的影響；氣泡直徑隨著溶液濃度的增大而顯著增大，在一定范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)論能對(duì)農(nóng)藥噴灑等生產(chǎn)生活多個(gè)方面起到初步的指導(dǎo)意義。

液體表面張力；氣泡；模具形態(tài)；濃度

在兩種不相溶液體或液體與氣體之間會(huì)形成分界面，界面上存在一種額外的應(yīng)力——表面張力。表面張力使液體表面猶如一張繃緊的彈性膜，有收縮的趨勢(shì)，使液滴總是趨向于球狀。液體表面張力的實(shí)質(zhì)是分子間相互作用力的宏觀表現(xiàn)，它可以解釋液體表面的許多性質(zhì)，比如濕潤(rùn)與不濕潤(rùn)現(xiàn)象、毛細(xì)現(xiàn)象等，有重要的實(shí)際意義[1]。

液體表面張力的測(cè)定方法分靜力學(xué)法和動(dòng)力學(xué)法。靜力學(xué)法有拉脫法、毛細(xì)管上升法、Wilhelmy盤(pán)法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法等；動(dòng)力學(xué)法有震蕩射流法、毛細(xì)管波法等。其中毛細(xì)管上升法和最大氣泡壓力法不能用來(lái)測(cè)液-液界面張力。Wilhelmy盤(pán)法、最大氣泡壓力法、震蕩射流法、毛細(xì)管波法可以用來(lái)測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力。由于動(dòng)力學(xué)法本身較復(fù)雜，測(cè)試精度不高，而先前的數(shù)據(jù)采集與處理手段都不夠先進(jìn)，致使此類測(cè)定方法成功應(yīng)用的實(shí)例很少。因此，目前為止，實(shí)際生產(chǎn)中多采用靜力學(xué)測(cè)定方法。

1 溶液表面張力的客觀存在性

洗潔精作為一種生產(chǎn)生活常用物品，早已進(jìn)入了廣大群眾的視線，而我們對(duì)它的認(rèn)知仍然停留在洗滌用品的范疇，但是洗潔精的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，洗潔精還被非常廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)方面的研究。例如，利用洗潔精泡來(lái)研究數(shù)學(xué)中的費(fèi)馬點(diǎn)，證明在任何情況下到多邊形的頂點(diǎn)距離之和最小的點(diǎn)是否存在，再者，洗潔精可以用于對(duì)水之間的氫鍵形成的表面張力進(jìn)行研究，探究洗潔精對(duì)水的表面張力的影響。洗潔精泡的大小與液體的表面張力的大小有關(guān)系，張力小則形成的洗潔精泡也小，張力大則形成的洗潔精泡也大。洗潔精液的濃度會(huì)對(duì)水的表面張力產(chǎn)生一定的影響，模具的形狀也會(huì)影響液體的分布，使得液體在洗潔精泡表面分布不均而影響洗潔精泡的大小。

本文主要闡述的就是洗潔精泡大小的主要影響因素，對(duì)液體表面張力的性質(zhì)進(jìn)行探索，探索出產(chǎn)生較小的洗潔精泡應(yīng)滿足的條件，建立正確的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)得出的成果進(jìn)行拓展，將其應(yīng)用與農(nóng)藥噴灑的環(huán)節(jié)的模型建立上，在不影響農(nóng)藥性質(zhì)的前提下減小水的表面張力，使農(nóng)藥噴灑在農(nóng)作物上時(shí)不會(huì)在葉片或果實(shí)上聚集成水滴，而是形成一層均勻的水膜覆蓋在其表面，進(jìn)而提高殺蟲(chóng)效率，并減少農(nóng)藥使用量，使得生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品更符合綠色無(wú)公害食品的要求。

2 洗潔精濃度對(duì)水表面張力的影響實(shí)驗(yàn)

將洗潔精用磁力攪拌器攪拌，使其充分溶于水中，利用拉脫法測(cè)試其表面張力，如圖1所示。采用新發(fā)展的硅壓阻式力敏傳感器張力測(cè)定儀測(cè)量液體表面張力，該方法靈敏度高，穩(wěn)定性好，且可數(shù)字信號(hào)顯示，利于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量。

圖1 拉脫法測(cè)量溶液表面張力

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：①力敏傳感器的定標(biāo)。碼盤(pán)上分別如0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g等質(zhì)量的砝碼，記錄相應(yīng)這些砝碼力作用下，數(shù)字電壓表的讀數(shù)值，用最小二乘法作直線擬合，求出傳感器靈敏度環(huán)的測(cè)量與清潔。游標(biāo)卡尺測(cè)量金屬圓環(huán)的外徑和內(nèi)徑.②將金屬環(huán)狀吊片在NaOH溶液中浸泡20～30 s，然后用凈水洗凈。③液體的表面張力系數(shù)的測(cè)量。容器下的升降臺(tái)，使其漸漸上升，將環(huán)片的下沿部分全部浸沒(méi)于待測(cè)液體，然后反向調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使液面逐漸下降，這時(shí)，金屬環(huán)片和液面間形成一環(huán)形液膜，繼續(xù)下降液面，測(cè)出環(huán)形液膜即將拉斷前一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值和液膜拉斷后一瞬間數(shù)字電壓表讀數(shù)值.由△＝－和傳感器靈敏度，以及環(huán)的尺寸可求出液體的表面張力系數(shù)。實(shí)驗(yàn)得出溶液的表面張力與溶液濃度的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)得出溶液的表面張力與溶液濃度的數(shù)據(jù)

溶液濃度/（mL/200 mL）0.1550.1570.1590.1600.1630.1640.168 表面張力系數(shù)∕N0.0060.0120.0190.0250.0320.0380.038

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著溶液濃度的提高，液體表面張力會(huì)在0.17 N附近達(dá)到飽和值，張力大小不再會(huì)因?yàn)槿芤簼舛鹊脑龃蠖龃蟆?/p>

3 模具形態(tài)對(duì)洗潔精氣泡大小的影響實(shí)驗(yàn)

3.1 自制模具吹泡實(shí)驗(yàn)

自制如下的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸褐睆綖? cm的圓形模具、邊長(zhǎng)為1.5 cm的正方形、小角為60°，邊長(zhǎng)為1 cm的菱形等，利用電吹風(fēng)或者手的揮動(dòng)使之產(chǎn)生氣泡。制作好的圓形模具和正方形模具如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于氣流的方向性和均勻性無(wú)法保證，這些方式吹出來(lái)的洗潔精氣泡的大小具有高度的不穩(wěn)定性，通過(guò)這些方式無(wú)法精確地作出氣泡直徑規(guī)律的準(zhǔn)確判斷。

3.2 規(guī)則吸管吹泡實(shí)驗(yàn)

在光滑平整桌面上，采用吸管等具有極強(qiáng)規(guī)則性的模具，使用直徑為0.5 cm的吸管對(duì)每組溶液進(jìn)行了5次測(cè)試，如圖3所示。

圖2 制作好的圓形模具和正方形模具

圖3 吸管直徑0.5 cm模具吹泡實(shí)驗(yàn)

再換用0.3 cm和1 cm直徑吸管再次重復(fù)吹泡實(shí)驗(yàn)，得到的數(shù)據(jù)表如表2所示，對(duì)比柱狀圖如圖4所示。

表2 不同直徑吸管吹泡直徑數(shù)據(jù)表

次數(shù)直徑∕cm1234567 0.316.921.224.429.031.434.840.2 0.517.021.124.628.631.134.940.5 1.017.121.424.528.430.834.540.4

通過(guò)線性擬合，數(shù)據(jù)基本滿足擬合曲線=3.73+13.34.（其中為洗潔精泡的直徑，為洗潔精的量）實(shí)驗(yàn)結(jié)果很有規(guī)律性地顯示，隨著溶液濃度的增大，氣泡直徑逐漸增大；在同一種溶液濃度下，模具直徑對(duì)氣泡大小幾乎無(wú)影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模具形態(tài)及濃度對(duì)氣泡大小的影響規(guī)律主要有3點(diǎn)：①洗潔精溶于水后表面張力會(huì)逐漸上升，直至上升至一定程度之后張力達(dá)到飽和；②不規(guī)則模具對(duì)氣泡的大小影響較大，會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，規(guī)則模具對(duì)形成的氣泡大小沒(méi)有明顯的影響；③洗潔精泡隨著洗潔精溶液濃度的增大，呈現(xiàn)愈來(lái)愈大的趨勢(shì)，基本滿足擬合曲線=3.73+13.34.

研究溶液的表面張力變化的規(guī)律，可以用來(lái)區(qū)分和研究不同液體的性質(zhì)，可以利用CMC點(diǎn)檢測(cè)液體的純度、影響與其他不同物質(zhì)的界面性質(zhì)，可以預(yù)測(cè)和解釋潤(rùn)濕性、對(duì)很多自然界的現(xiàn)象作出和釋重復(fù)，利用已知液體的表面張力可以檢測(cè)和計(jì)算固體的表面能，測(cè)定動(dòng)態(tài)表面張力更可以優(yōu)化噴涂、噴灑、農(nóng)藥等行業(yè)的工藝，對(duì)人們生產(chǎn)生活多個(gè)方面起到重要的指導(dǎo)意義。

圖4 不同直徑的吸管與不同濃度下的洗潔精泡大小比較

［1］周自剛，趙福海.新編大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.第二版.北京：科學(xué)出版社，2012.

［2］周殿清.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

［3］鄧麗君，曹亦俊，王利軍.起泡劑溶液的表面張力對(duì)氣泡尺寸的影響［J］.中國(guó)科技論文，2014（2）.

［4］徐玲君，陳剛，邵建斌，等.靜水中單個(gè)氣泡的動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值模擬［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2011（9）.

羅浩（1979—），西南科技大學(xué)物理基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的管理和教學(xué)教改工作。

西南科技大學(xué)校級(jí)教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目（編號(hào)：17XN0095）；西南科技大學(xué)高教研究專項(xiàng)課題（編號(hào)：18GJZX01）

2095－6835（2018）18－0111－03

O4-33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.111

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕