1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文采用的表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)光路、耐高壓實(shí)驗(yàn)本體、控溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成,圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖,詳細(xì)參見(jiàn)文獻(xiàn)。

圖1表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

激光器采用低功率連續(xù)型固體激光器,λ0=532 nm。高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑為80 mm、角度分辨率為0.000 67°,經(jīng)過(guò)校正角度測(cè)量的精度可以達(dá)到±0.05%,數(shù)字相關(guān)器為ALV-LinCorr,可以計(jì)算兩路信號(hào)的相關(guān)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)本體采用304號(hào)不銹鋼材料,內(nèi)部直徑為70 mm、容積為150 cm3,實(shí)驗(yàn)中所需的樣品體積約為50 cm3。實(shí)驗(yàn)本體可控制在溫度為250～400 K、壓力為0～10 MPa的范圍。實(shí)驗(yàn)本體溫度控制采用電加熱方式,采用Fluke2100溫控器控溫,采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的Pt100鉑電阻溫度計(jì)和ASL的F200高精度測(cè)溫儀測(cè)溫,溫度測(cè)量的不確定度小于±30 mK。

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)甲苯對(duì)裝置進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明表面張力和黏度的實(shí)驗(yàn)值與理論值最大偏差為1.3%和0.39%，可以滿足表面張力和黏度的高精度測(cè)試要求。

1.4氣相參數(shù)估算

由式(1)可以求解表面波色散方程需要的ρ′和η′,本文中HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下的氣相密度由PR方程結(jié)合飽和蒸氣壓方程進(jìn)行估算,估算的預(yù)期不確定度為1%。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對(duì)HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下293.17～393.00 K和293.27～393.35 K溫度區(qū)間的表面張力和黏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果列于表2。

表面張力采用與溫度相關(guān)的van der Waals關(guān)聯(lián)式進(jìn)行擬合

式中:σ0和n是擬合參數(shù)。

黏度采用多項(xiàng)式擬合

表3列出了擬合得到的參數(shù)值。HFE7000、HFE7200表面張力實(shí)驗(yàn)值與擬合方程(9)的計(jì)算值的最大偏差分別為0.064 mN·m-1和0.068 mN·m-1,平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1。黏度實(shí)驗(yàn)值與擬合方程(10)的計(jì)算值的平均相對(duì)偏差分別為0.71%和0.36%,最大相對(duì)偏差分別為1.83%和0.63%。

圖2給出了HFE7000和HFE7200表面張力與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的偏差。兩種氫氟醚的表面張力隨著溫度升高逐漸降低,且隨著相對(duì)分子質(zhì)量增大和臨界溫度升高,表面張力增大。在整個(gè)測(cè)量的溫度范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差不超過(guò)±0.1 mN·m-1。

圖2 HFE7000、HFE7200表面張力與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差

表3 HFE7000和HFE7200表面張力和黏度擬合參數(shù)

圖3給出了HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與擬合方程計(jì)算值的偏差,結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差均在±2%之內(nèi)。

根據(jù)誤差傳遞理論,本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量的不確定度可由色散方程(1)中的各測(cè)量和輸入?yún)?shù)的不確定度引入,但由于式(1)沒(méi)有理論分析解,只能近似估算表面張力和黏度測(cè)量的不確定度。本文采用參考文獻(xiàn)中推薦的方法,表面張力和黏度的測(cè)量不確定度近似表達(dá)式為

圖3 HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)值與方程計(jì)算值的偏差

表4給出了式(11)、(12)中各參數(shù)對(duì)HFE7000和HFE7200表面張力和黏度在溫度上下限(T=293～393 K)的擴(kuò)展測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)。其中,兩種物質(zhì)在T=293 K時(shí),表面張力擴(kuò)展測(cè)量不確定度為0.33%,黏度擴(kuò)展測(cè)量不確定度分別為1.04%和1.03%;當(dāng)T=393 K時(shí),表面張力擴(kuò)展測(cè)量不確定度為0.33%,黏度擴(kuò)展測(cè)量不確定度分別為1.35%和1.13%;表面張力的不確定度保持不變,隨著溫度的升高,黏度測(cè)量的擴(kuò)展測(cè)量不確定度升高。越接近臨界溫度,氣相密度和黏度對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)越大。因此,本文HFE7000和HFE7200表面張力的擴(kuò)展測(cè)量不確定度(置信因子k=2)估計(jì)為0.35%,黏度的擴(kuò)展測(cè)量不確定度(k=2)分別估計(jì)為1.35%和1.13%。

表4各參數(shù)對(duì)HFE7000和HFE7200表面張力和黏度測(cè)量不確定度的貢獻(xiàn)%

3結(jié)論

本文利用新搭建的表面光散射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了兩種氫氟醚類(lèi)物質(zhì)HFE7000和HFE7200在飽和狀態(tài)下的表面張力和黏度,溫度范圍均為293～393 K。利用獲得的數(shù)據(jù),擬合了表面張力和黏度的關(guān)聯(lián)式。HFE7000和HFE7200表面張力實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值的平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1;HFE7000和HFE7200黏度實(shí)驗(yàn)值與關(guān)聯(lián)式計(jì)算值的平均相對(duì)偏差分別為0.71%和0.36%。