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界面上的世界之外篇-----液滴有多大,兼与老辛和nanfangyi切磋

(2007-09-03 06:31:22)
标签:

知识/探索

分类: 案头之山水
 

准备写“荷叶上的露珠”,看到nanfangyi和老辛的评论,还是先来讨论一下这个滴管出来的液滴大小的问题。

这里所说的,是操作很小心很慢地滴出来的液滴,所以整个过程中可以认为液滴处于平衡状态。在流体力学上,这样的状态称为“科西稳定状态”。就是说,其实不是真正的稳定状态,但是运动得很慢,所以可以当成平衡态来做静力学分析。如果液滴滴得很快的话,大小就跟滴得快慢有关了。

我们来看悬在滴管下面的液滴。在任何一个横截面上,都承受着横截面以下的那部分液体的拉力,大小等于那部分液体的重力。这一拉伸的结果会增加液滴的表面积,所以这里的表面张力会产生向上的分量来抵制这个拉力,而水平方向的分量则互相抵消了。这样重力和表面张力抵消的结果,液滴处于平衡状态,而不会掉下来。

如果我们仔细看那些液滴,不难发现所有可能的横截面中,滴管出口处的那个面承受的重力是最大的(承受整个液滴重量),而那个地方的直径在液滴的上半部分是最小的。因为向上的张力等于表面张力乘以周长,所以那个地方的张力也是最小的。当液滴逐渐增大,表面张力最终将不足以抗衡重力,液滴就脱离滴管。液滴脱离滴管的时候,液滴的重力正好等于表面张力产生的拉力。对于纯液体而言,表面张力是一定的,而滴管的周长也是确定的,也就是说,滴下的液滴的重量就是一定的。

从上面的讨论不难看出,液滴的重量只由滴管的直径和液体的表面张力决定。前一篇所说的每个液滴0.03克,就是针对我们所用的那种滴管和那种油。对于别的滴管和别的液体,这一数值就会不同,比如说用同样的滴管去滴水。每一滴的重量就会大许多。

在工业界的研究中,经常使用重量来计算浓度,比如某种成分占百分之多少。而在学术研究中,通常使用体积浓度,比如一升溶液中含有多少某种物质。前者是为了方便生产,后者是为了热力学上的严格。如果考虑滴下的液体的体积,那么除了表面张力之外,的确还跟密度有关,就象nanfangyi所说的那样。如果只考虑重量的话,就几乎跟密度无关了。

老辛想到了温度和湿度,再一次表明老辛的思维确实很全面。表面张力会受到温度的影响,一般而言,温度上升,表面张力会降低。而且,不同液体受影响的程度不同。至于湿度,主要是湿度低的情况下,水有一定程度的蒸发,对于这个过程有一定影响。就一般的应用来说,数滴数本身只是一种估算,确定的数值还是要依靠最后天平的读数。而忽略这些次要影响因素的估算,已经可以得到一个比较精确的结果。

滴管下面的液滴分析,其实是两种表面张力测量技术的基础。一种是前一篇提到过的,拍下液滴照片,分析液滴轮廓,代进一个数学方程(那个方程的原理就是这里所说的力的平衡),可以算出表面张力。因为使用了整个液体轮廓的数据,大量的数据去拟合一个方程,可以大大减小各种干扰所产生的误差。而另一种,是利用滴下的液滴重量,以及滴管的直径,来计算表面张力,原理就是上面所说的表面张力等于重力。这实质上只用了液滴上的一个数据点,而且其他一些因素,比如液体的密度、液体和滴管的接触方式等等也会有一些影响,所以是一种原始简单但是不够精确的方法,现在在科研上已经没有人用了。

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