1.3實驗系統

本文采用的表面光散射實驗系統由實驗光路、耐高壓實驗本體、控溫系統和數據采集與處理系統組成,圖1為實驗系統示意圖,詳細參見文獻。

圖1表面光散射實驗系統示意圖

激光器采用低功率連續型固體激光器,λ0=532 nm。高精度旋轉臺的直徑為80 mm、角度分辨率為0.000 67°,經過校正角度測量的精度可以達到±0.05%,數字相關器為ALV-LinCorr,可以計算兩路信號的相關函數。實驗本體采用304號不銹鋼材料,內部直徑為70 mm、容積為150 cm3,實驗中所需的樣品體積約為50 cm3。實驗本體可控制在溫度為250～400 K、壓力為0～10 MPa的范圍。實驗本體溫度控制采用電加熱方式,采用Fluke2100溫控器控溫,采用經過標定的Pt100鉑電阻溫度計和ASL的F200高精度測溫儀測溫,溫度測量的不確定度小于±30 mK。

為了檢驗系統的可靠性,利用標準物質甲苯對裝置進行了檢驗,結果表明表面張力和黏度的實驗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試要求。

1.4氣相參數估算

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在飽和狀態下的氣相密度由PR方程結合飽和蒸氣壓方程進行估算,估算的預期不確定度為1%。

2實驗結果及分析

本文對HFE7000和HFE7200在飽和狀態下293.17～393.00 K和293.27～393.35 K溫度區間的表面張力和黏度進行了實驗研究,結果列于表2。

表面張力采用與溫度相關的van der Waals關聯式進行擬合

式中:σ0和n是擬合參數。

黏度采用多項式擬合

表3列出了擬合得到的參數值。HFE7000、HFE7200表面張力實驗值與擬合方程(9)的計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。黏度實驗值與擬合方程(10)的計算值的平均相對偏差分別為0.71%和0.36%,最大相對偏差分別為1.83%和0.63%。

圖2給出了HFE7000和HFE7200表面張力與溫度的關系以及實驗值與擬合方程計算值的偏差。兩種氫氟醚的表面張力隨著溫度升高逐漸降低,且隨著相對分子質量增大和臨界溫度升高,表面張力增大。在整個測量的溫度范圍內,實驗值與方程計算值的偏差不超過±0.1 mN·m-1。

圖2 HFE7000、HFE7200表面張力與溫度的關系以及實驗值與方程計算值的偏差

表3 HFE7000和HFE7200表面張力和黏度擬合參數

圖3給出了HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關系以及實驗值與擬合方程計算值的偏差,結果表明,實驗值與方程計算值的偏差均在±2%之內。

根據誤差傳遞理論,本文實驗測量的不確定度可由色散方程(1)中的各測量和輸入參數的不確定度引入,但由于式(1)沒有理論分析解,只能近似估算表面張力和黏度測量的不確定度。本文采用參考文獻中推薦的方法,表面張力和黏度的測量不確定度近似表達式為

圖3 HFE7000、HFE7200黏度與溫度的關系以及實驗值與方程計算值的偏差

表4給出了式(11)、(12)中各參數對HFE7000和HFE7200表面張力和黏度在溫度上下限(T=293～393 K)的擴展測量不確定度的貢獻。其中,兩種物質在T=293 K時,表面張力擴展測量不確定度為0.33%,黏度擴展測量不確定度分別為1.04%和1.03%;當T=393 K時,表面張力擴展測量不確定度為0.33%,黏度擴展測量不確定度分別為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,黏度測量的擴展測量不確定度升高。越接近臨界溫度,氣相密度和黏度對擴展測量不確定度的貢獻越大。因此,本文HFE7000和HFE7200表面張力的擴展測量不確定度(置信因子k=2)估計為0.35%,黏度的擴展測量不確定度(k=2)分別估計為1.35%和1.13%。

表4各參數對HFE7000和HFE7200表面張力和黏度測量不確定度的貢獻%

3結論

本文利用新搭建的表面光散射實驗系統測量了兩種氫氟醚類物質HFE7000和HFE7200在飽和狀態下的表面張力和黏度,溫度范圍均為293～393 K。利用獲得的數據,擬合了表面張力和黏度的關聯式。HFE7000和HFE7200表面張力實驗值與關聯式計算值的平均偏差分別為0.030 mN·m-1和0.024 mN·m-1;HFE7000和HFE7200黏度實驗值與關聯式計算值的平均相對偏差分別為0.71%和0.36%。