参赛作品名称:水珠形状变化,表面张力与温度变化的关系

参赛作品名称:水珠形状变化,面张力与温度变化的关系 参赛作品名称:水珠形状变化、表面张力与温度变化的关系 参赛组所在学院:土木建筑学院 参赛组所在班级:土木工程0409班 参赛组员:宋瑞斌,1201040925, 田 钧,1201040928, 康智灵,1201040916, 水珠形状变化、表面张力与温度变化的关系 一、实验设计目的: 一、探讨热平台上水滴变化情形及水滴基本形状。 二、探讨水滴在不同加热板～不同温度之下～水珠的大小、形状、变化与 加热板的表面性质相关性。 三、测定不同加热板上～形成水珠的临界温度及其稳定温度～并探讨蒸发快 慢的相关性。 四、研究水珠形状变化的规律与表面张力、热对流所造的振动与简谐运动 的相关性。 二、实验设计的要求及过程: (1)实验原理: 观念[1]——液体表面张力 液体内部分子的引力～表面的分子被吸引向内～使液体宛若被一层看不见的膜所包围～此种表面分子行为,称为表面张力。由纯热学观点～表面张力可视作由于液体减少其表面积的倾向～使其表面位能降低至最低～此为稳定表面平衡之必要条件。由数学上可知～同体积以球形表面积为最小～因此液体分子受表面张力作用～使液滴本身趋向呈球形。液滴在不同固体表面上,因表面张力不等,呈现不同接触角。如图示: 观念[2]——固体表面粗糙程度与水滴接触角 一般而言～水滴对平滑表面之亲水性较佳～而对粗糙表面之疏水性增强,如图(a)、(b)所示。亲水性佳者接触角为锐角～由图(c)放大圆知道水滴覆盖表面有空气充斥其间～使接触面疏水性增强,接触角为钝角。 (a) 平滑表面～接触角为锐角 (b) 粗糙表面～接触角为钝角 (c)放大圆 粗糙表面与液体接触之间有 空气包覆斥水性强 观念[3]——蒸气层与热对流 高温加热板上的水滴于接触瞬间～立即有水分子汽化成一层蒸气膜～降低了加热板的热传导速率～水滴宛如一层蒸气膜保护而形成稳定水珠～延长了停滞时间。水珠周遭空气,在高温加热板的热辐射下剧烈对流～加上高温水珠内部分子的热运动,形成水珠内外压力差的作用～因此水珠不停的移动!振动!转动!变形: 观念[4]——水珠变形与蒸发速率 水珠处高温状态急待蒸散热能～以降低温度。高温水分子的热运动与空气热对流所造成的压力差～致使水珠向外突出变形～以增大表面积加快蒸发速率～可以降低热能。但是水珠变形的同时与加热板接触表面积变大～单位时间热传导能量增加。表面张力内缩作用～水珠在突出变形与表面积缩小之下～剧烈变形后恢复球形,如此交替循环变化。如简谐振荡一般～将热能以位能和动能形式互换,且以转动方式在扰动之下,取得动态稳定平衡.以达最小的吸收～最快的蒸发。 ,2,实验设计: 一、实验场地 由于实验条件的限制～只好简单的做一下这个观测实验～场地选择也相对简单～就在宿舍的天台～用酒精灯来代替加热平台。用地板砖来代替高温陶瓷板。温度控制就简单加以控制～不是非常的准确～但也能一定程度上反映出水珠的变化形态:: 二.实验器材: ,1,加热器平台。 ,2,高温陶瓷板、不锈钢板、海绵纱。 ,3,高温温度计、两支一般、一支细针型。 ,4,定时器:可分次分别计时。 ,5,数字DV一台(实验者自备)。 ,6,不锈钢方形框架一个。 ,7,游标尺一支。 ,8,量筒10ml 一支。 三.名词定义: ,1,单位体积:滴管每滴落一滴之平均体积。 ,2,停滞时间Tm:水滴在加热板上蒸发消逝的时间亦可称为蒸发速率。 ,3,圆形水珠:水滴在加热板上形成扁球形之状态称为水珠。 ,4,临界温度tc:水滴在加热板上开始形成水珠的最低温度。 ,5,稳定温度ts:水滴在加热板上形成与低入水滴体积相等时的最低温度。 四、实验步骤: 实验一 基本测量: ,1,先测试加热器～分段加热的温度范围及加热速率～测试加热平台的温度高低分布情形及稳定性～温度分布梯度。 ,2,使用小量筒测定一般滴管滴下一滴水滴的平均体积～以一滴一滴水滴入量筒方式～每50 滴读一次体积… .一直到200 滴为止～求取每一滴水的平均体积。 ,3,拍摄不同材料平台～在常温下与水滴接触角,陶瓷板、不锈钢板、平底锅、细砂纸、海绵块～比较其亲水性与疏水性现象。 ,4,常温水滴接触角的测量:用光源投射水滴的影子～并拍摄记录量取接触角。 ,5,高温水珠的接触角用高清晰的DV摄影机拍摄～撷取影像处理～以了解水滴与加热板的接触角变化。 测量记录: ,1, 水滴的平均体积 单位,毫升, 滴数 50 100 150 200 平均体积 单位体积 体积 1.99 4.02 6.00 7.99 0.04000 0.04011 体积 2.01 4.03 6.03 8.06 0.04026 体积 1.97 4.05 6.01 8.00 0.04006 ,2,水滴大小,截面直径,:不锈钢板上 单位(mm) 滴数 一滴 二滴 三滴 四滴 五滴 平均直径 6.6 8.4 9.7 10.7 11.3 ,2, 常温下不同材料的水滴接触角 不锈钢板 陶瓷板 纱板板 海绵块 实验二 形成水珠的临界温度和停滞时间的探讨: ,1, 用滴管于不同材质之加热板上方～低于1cm 的高度～滴入一滴一滴的常温(28?)水滴～同时控制平台的温度～由220?逐渐上升至高温度段～分别纪录不同加热板～水滴变化状态～蒸发速率(停滞时间)。 记录不同材质之加热板水滴的运动情形: 陶瓷板 温度 200?以下 200?250? 280?~300? ~240? 形状 小部分 散成小 水珠 状态 蒸发 跳动 散成小水珠 形成稳定水珠 不锈钢板 温度 160?~ 180?~ 195?~ 205?245?~ ~235? 形状 大部分立即大部分散开形成稳定水只剩二、个水珠对碰～ 蒸发散成小成小水珠 珠 水珠碰撞～大小合一 水珠 并且存在 状态 跳动 移动 移动、转动碰撞 移动、转动 变形 变形 ,2,控制不锈钢加热板温度为约350?～滴入不同水滴温度28?、55?、65?～于加热板上中央静止的滴入一滴、二滴、、、、的水滴～记录水滴变化～对水珠蒸发速率(停滞时间)及临界温度的影响～记录如表。 滴数 一滴 二滴 三滴 四滴 五滴 十滴 水滴 温度 呈圆呈圆 28水珠～水珠～ ? 原地原地 自转 自转 呈圆呈圆 呈现六边形四角、三角、水滴自转自转内部强烈的圆形、椭圆形和椭圆形状圆形的变化 变化 至蒸至蒸热运动 交替变化 的变化 发 发 停滞47秒 70秒 85秒 97秒 105秒 146秒 时间 呈圆呈圆 55? 水珠～水珠～ 原地原地 自转 自转 水滴呈圆呈圆内部强烈圆球、扁圆交三角、椭圆球四角、三角、变化 自转自转的热运动 替 形交替变化 椭圆球形的 至蒸至蒸交替变化 发 发 停滞45秒 69秒 82秒 94秒 103秒 142秒 时间 呈圆呈圆 水珠～水珠～ 65? 原地原地 自转 自转 呈圆呈圆 水滴自转自转内部热运动圆球、扁圆交三角、椭圆球四角、三角、变化 至蒸至蒸非常强烈 替 球形交替变椭圆球形的 发 发 化 交替变化 停滞46秒 69秒 81秒 84秒 102秒 142秒 时间 实验三 水珠形状～形状变化与温度的关系: ,1, 选用水珠停滞时间最久～形状变化最丰富的不锈钢板为加热板～探讨 水珠之大小、形状、温度、变化之规律～用DV 摄影纪录 名称 圆球形 椭圆形 三角形 四角形 五角形 … … 照片 变化范围 260?~310? 310?~350? 温度 ~85?~ ~87?~ ~89?~ ~91?~ 91?~93 94?~95 大小,mm, 6以下 6~8 8~10 10~12 12~16 18~20 ,2, 撷取影像水珠的形状变化。 名椭球形 菱形 三角形 四角形 五角形 称 照 片 (3) 基本形状 名椭球形 圆形 三角形 四角形 五角形 称 照 片 六 角 形 五、实验现象和结果初步分析: ,1,观察不同的接触面时～水滴的在表面张力作用下的接触角的大小关系。 ,2,证实是否:水珠与接触板之间～确实存在一层高温气膜～以维持水珠稳态平衡。 ,3,注入的水滴温度不同～对水珠变化的基本形状是否有影响以及有什么样的影响。 ,4,水珠的基本形状～可以从拍摄的影像中撷录分析～试分析其形状的变化和原因。 ,5,水滴与接触面之间接触角的大小与接触面光滑粗糙程度的关系。 ,6,临界温度、稳定温度高低的关系与板面亲水性的关系。 三、结论: ,1,水滴与接触面的光滑粗糙程度～会影响戒除角的大小,光滑的接触面是为锐角～粗糙的时候为钝角。临界温度、稳定温度高低的关系与板面的亲水性有关～亲水性越强～临界温度和稳定温度越高。 ,2,水珠的基本形状有圆球形、椭圆形、三角形、四角形、五角形、六角形。同时加热板上～温度越高～形状变化种类越多,多边形的边数,～最大边数越多～且自转速度越快～停滞时间也就越短。水珠越大形成水珠时～变形的种类越多～但自转会因重力降低～所以停滞时间越久。所以最大的变形数由水滴及温度的高低。 ,3,液体分子间的热运动～对流不息的互相碰撞～由高温动量大、速度快的分子与低温速度慢的分子碰撞～使分子间造成动量交换～使得分子间动量产生增减现象～因而造成振动变形。 ,4,一般液体的表面张力皆因温度上升而降低。在实验的时候能发现～当两个或多个水滴碰上了～就形成了一个大水滴～且都是大水滴吃掉小水滴～原因是两个水滴的表面积总和大于一个等体积大水滴的表面积。这就是液体表面张力会将液滴表面缩到最小的现象,也是表面能达最小状态的道理。 四、参考文献: 1、酒井高男著 力学的趣味实验 亚东书局出版 2、李 英著 流体力学 中南大学出版 3、黄定加著 物理化学 高立图书有限出版社 4、林明瑞著 高级中学-物质科学-物理篇 南一书局出版