[发明专利]一种应用表面张力在开放的容器里悬垂放置液体的方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种应用液体表面张力产生的毛细管作用在开放的容器里悬垂放置液体的方法，它可用于设计制造工业和商业用途的液体容器，扩展容器容量，保持容器里的液体平稳不晃动，并且允许容器内外气体和液体的连续交换。

背景技术

通常液体都是基于重力水平盛放在开放的容器中，或者利用大气压力盛放在密闭的倒置容器里。但是，因为液体的流动性，前者不能保持液体平稳不晃动；后者因为容器封闭，限制了容器内外的气体和液体的自由交换。本发明专利旨在实现在开放的容器里悬垂放置液体，充分利用容器空间，保持容器里的液体平稳不晃动，并且能保证容器内外气体和液体的持续交换。

发明内容

本发明专利基于发明人的一个新发现：由液体表面张力产生的毛细管作用不仅可以让液体在毛细管内上升一定高度，也能够在毛细管下端口悬垂同样高度的液柱，只要在毛细管下端口提供任何形状的有限连续边界即可(参见附图1)。

毛细管下端口能够悬垂的液柱高度与毛细管的内半径负相关，可用以下公式描述：

h＝2γcosθ/ρgr

式中：h为悬垂液柱的高度(米)，γ为液体表面张力(牛/米)，cos表示余弦函数，θ为液体与毛细管内壁的接触角(度)，ρ为液体比重(千克/立方米)，g为重力加速度(米/秒平方)，r为毛细管的内半径(米)。

其他影响液体表面张力、接触角、液体比重和重力加速度的外界因素，如环境温度、气压、海拔高度以及液体和毛细管自身物理化学特性均会影响毛细管悬垂液体的高度。这里所说的液体包括单一物质构成的无机液体和有机液体以及多种物质组成的溶液、乳液和悬浊液；毛细管指以各种无机或有机固体材料人为制作的和自然天成的毫米级、微米级以及纳米级的孔隙和微管；毛细管上下端口可以是圆形的，也可以是非圆形的。

1.以单一物质构成的液态蒸馏水和玻璃毛细管为例，在20摄氏度，水的表面张力γ为0.0728牛/米，水与玻璃的接触角θ设为0度(cosθ＝1)，水的比重ρ为998千克/立方米，重力加速度g设为9.80米/秒平方，毛细管下端口可悬垂的水柱高度：h＝1.4910^-5/r

内半径为1毫米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为15毫米；

内半径为100微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为14.9厘米；

内半径为10微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为1.49米；

内半径为5微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为2.98米；

内半径为2微米的玻璃毛细管可悬垂的水柱高度为7.45米。

2.以单一物质构成的液态橄榄油和内壁有PTFE(Polytetrafluoroethylene，聚四氟乙烯)涂层的毛细管为例，在20摄氏度，橄榄油的表面张力γ为0.0358牛/米，橄榄油与毛细管内壁PTFE涂层的接触角θ为65.4度(cosθ＝0.4163)，橄榄油的比重ρ为903.3千克/立方米，重力加速度g设为9.8米/秒平方，毛细管下端口可悬垂的油柱高度：h＝3.36710^-6/r

内半径为2微米的毛细管可悬垂的油柱高度为1.683米；

内半径为1微米的毛细管可悬垂的油柱高度为3.367米；

内半径为100纳米的毛细管可悬垂的油柱高度为33.67米；

内半径为10纳米的毛细管可悬垂的油柱高度为336.7米。

附图说明

附图1.毛细管内液体上升与毛细管下端口液体悬垂现象对比的平面侧视图

图左侧容器1与右侧容器2盛放同样的液体，用相同的毛细管，液体在容器1毛细管内上升的高度为h1，液体在容器2毛细管下端口悬垂的高度为h2，在同一地点，h1＝h2.图中实心向上的大箭头表示毛细管力(F_c)，F_c＝2γcosθ；空心向下的大箭头表示重力(F_g)，.F_g＝ρgh.与毛细管下端口无缝连接的有限边界是毛细管悬垂液体的必要条件。(为清晰演示，毛细管内直径被放大，下同)。

附图2.开放透明容器悬垂放置营养液养鱼的平面侧视示意图

打开阀门1，关闭阀门2和3，通过阀门1向容器里注满营养液。然后，关闭阀门1，容器壁作为有限边界，营养液被容器壁上的毛细管下端口悬垂在容器里。打开阀门3，鱼可在容器和鱼槽之间出入；或打开阀门1后，再打开阀门2，可更换容器里的营养液。

附图3.开放容器加具有毛细管的滑动容器塞悬垂放置液体的平面侧视示意图