模具形态及浓度对气泡大小的影响实验研究＊

魏元鑫，罗浩，赵福海，杨羽函，穆飞，屈洪勋，谭景云



模具形态及浓度对气泡大小的影响实验研究＊

魏元鑫，罗浩，赵福海，杨羽函，穆飞，屈洪勋，谭景云

（西南科技大学，四川 绵阳 621010）

溶液表面张力的客观存在对生产生活中涉及到液体、液面的领域都产生重要影响，基于测量表面张力系数的拉脱法，对不同浓度的洗洁精溶液的表面张力进行了实验研究，并分别用自制模具和规则吸管进行了吹泡实验。结果表明，表面张力随洗洁精浓度的增大逐渐上升，直至一定程度之后达到饱和；模具的不规则对气泡的大小影响较大，严重影响实验数据的稳定性，规则模具的孔径对形成的气泡大小没有明显的影响；气泡直径随着溶液浓度的增大而显著增大，在一定范围内满足线性关系。实验结论能对农药喷洒等生产生活多个方面起到初步的指导意义。

液体表面张力；气泡；模具形态；浓度

在两种不相溶液体或液体与气体之间会形成分界面，界面上存在一种额外的应力——表面张力。表面张力使液体表面犹如一张绷紧的弹性膜，有收缩的趋势，使液滴总是趋向于球状。液体表面张力的实质是分子间相互作用力的宏观表现，它可以解释液体表面的许多性质，比如湿润与不湿润现象、毛细现象等，有重要的实际意义[1]。

液体表面张力的测定方法分静力学法和动力学法。静力学法有拉脱法、毛细管上升法、Wilhelmy盘法、旋滴法、悬滴法、滴体积法、最大气泡压力法等；动力学法有震荡射流法、毛细管波法等。其中毛细管上升法和最大气泡压力法不能用来测液-液界面张力。Wilhelmy盘法、最大气泡压力法、震荡射流法、毛细管波法可以用来测定动态表面张力。由于动力学法本身较复杂，测试精度不高，而先前的数据采集与处理手段都不够先进，致使此类测定方法成功应用的实例很少。因此，目前为止，实际生产中多采用静力学测定方法。

1 溶液表面张力的客观存在性

洗洁精作为一种生产生活常用物品，早已进入了广大群众的视线，而我们对它的认知仍然停留在洗涤用品的范畴，但是洗洁精的作用远远不止如此，洗洁精还被非常广泛应用于数学、物理、化学方面的研究。例如，利用洗洁精泡来研究数学中的费马点，证明在任何情况下到多边形的顶点距离之和最小的点是否存在，再者，洗洁精可以用于对水之间的氢键形成的表面张力进行研究，探究洗洁精对水的表面张力的影响。洗洁精泡的大小与液体的表面张力的大小有关系，张力小则形成的洗洁精泡也小，张力大则形成的洗洁精泡也大。洗洁精液的浓度会对水的表面张力产生一定的影响，模具的形状也会影响液体的分布，使得液体在洗洁精泡表面分布不均而影响洗洁精泡的大小。

本文主要阐述的就是洗洁精泡大小的主要影响因素，对液体表面张力的性质进行探索，探索出产生较小的洗洁精泡应满足的条件，建立正确的数学模型，并对得出的成果进行拓展，将其应用与农药喷洒的环节的模型建立上，在不影响农药性质的前提下减小水的表面张力，使农药喷洒在农作物上时不会在叶片或果实上聚集成水滴，而是形成一层均匀的水膜覆盖在其表面，进而提高杀虫效率，并减少农药使用量，使得生产出的农产品更符合绿色无公害食品的要求。

2 洗洁精浓度对水表面张力的影响实验

将洗洁精用磁力搅拌器搅拌，使其充分溶于水中，利用拉脱法测试其表面张力，如图1所示。采用新发展的硅压阻式力敏传感器张力测定仪测量液体表面张力，该方法灵敏度高，稳定性好，且可数字信号显示，利于计算机实时测量。

图1 拉脱法测量溶液表面张力

实验内容：①力敏传感器的定标。码盘上分别如0.5 g、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g等质量的砝码，记录相应这些砝码力作用下，数字电压表的读数值，用最小二乘法作直线拟合，求出传感器灵敏度环的测量与清洁。游标卡尺测量金属圆环的外径和内径.②将金属环状吊片在NaOH溶液中浸泡20～30 s，然后用净水洗净。③液体的表面张力系数的测量。容器下的升降台，使其渐渐上升，将环片的下沿部分全部浸没于待测液体，然后反向调节升降台，使液面逐渐下降，这时，金属环片和液面间形成一环形液膜，继续下降液面，测出环形液膜即将拉断前一瞬间数字电压表读数值和液膜拉断后一瞬间数字电压表读数值.由△＝－和传感器灵敏度，以及环的尺寸可求出液体的表面张力系数。实验得出溶液的表面张力与溶液浓度的数据如表1所示。

表1 实验得出溶液的表面张力与溶液浓度的数据

溶液浓度/（mL/200 mL）0.1550.1570.1590.1600.1630.1640.168 表面张力系数∕N0.0060.0120.0190.0250.0320.0380.038

从实验结果可知，随着溶液浓度的提高，液体表面张力会在0.17 N附近达到饱和值，张力大小不再会因为溶液浓度的增大而增大。

3 模具形态对洗洁精气泡大小的影响实验

3.1 自制模具吹泡实验

自制如下的实验模具：直径为1 cm的圆形模具、边长为1.5 cm的正方形、小角为60°，边长为1 cm的菱形等，利用电吹风或者手的挥动使之产生气泡。制作好的圆形模具和正方形模具如图2所示。

实验结果表明，由于气流的方向性和均匀性无法保证，这些方式吹出来的洗洁精气泡的大小具有高度的不稳定性，通过这些方式无法精确地作出气泡直径规律的准确判断。

3.2 规则吸管吹泡实验

在光滑平整桌面上，采用吸管等具有极强规则性的模具，使用直径为0.5 cm的吸管对每组溶液进行了5次测试，如图3所示。

图2 制作好的圆形模具和正方形模具

图3 吸管直径0.5 cm模具吹泡实验

再换用0.3 cm和1 cm直径吸管再次重复吹泡实验，得到的数据表如表2所示，对比柱状图如图4所示。

表2 不同直径吸管吹泡直径数据表

次数直径∕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

通过线性拟合，数据基本满足拟合曲线=3.73+13.34.（其中为洗洁精泡的直径，为洗洁精的量）实验结果很有规律性地显示，随着溶液浓度的增大，气泡直径逐渐增大；在同一种溶液浓度下，模具直径对气泡大小几乎无影响。

4 结束语

通过设计的几个实验，发现模具形态及浓度对气泡大小的影响规律主要有3点：①洗洁精溶于水后表面张力会逐渐上升，直至上升至一定程度之后张力达到饱和；②不规则模具对气泡的大小影响较大，会严重影响实验数据的稳定性，规则模具对形成的气泡大小没有明显的影响；③洗洁精泡随着洗洁精溶液浓度的增大，呈现愈来愈大的趋势，基本满足拟合曲线=3.73+13.34.

研究溶液的表面张力变化的规律，可以用来区分和研究不同液体的性质，可以利用CMC点检测液体的纯度、影响与其他不同物质的界面性质，可以预测和解释润湿性、对很多自然界的现象作出和释重复，利用已知液体的表面张力可以检测和计算固体的表面能，测定动态表面张力更可以优化喷涂、喷洒、农药等行业的工艺，对人们生产生活多个方面起到重要的指导意义。

图4 不同直径的吸管与不同浓度下的洗洁精泡大小比较

［1］周自刚，赵福海.新编大学物理实验［M］.第二版.北京：科学出版社，2012.

［2］周殿清.大学物理实验教程［M］.武汉：武汉大学出版社，2005.

［3］邓丽君，曹亦俊，王利军.起泡剂溶液的表面张力对气泡尺寸的影响［J］.中国科技论文，2014（2）.

［4］徐玲君，陈刚，邵建斌，等.静水中单个气泡的动力学特性数值模拟［J］.长江科学院院报，2011（9）.

罗浩（1979—），西南科技大学物理基础课实验教学示范中心主任，主要从事大学物理实验的管理和教学教改工作。

西南科技大学校级教育教学研究与改革项目（编号：17XN0095）；西南科技大学高教研究专项课题（编号：18GJZX01）

2095－6835（2018）18－0111－03

O4-33

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.18.111

〔编辑：严丽琴〕