纯水密度测量及其研究

　　0　引言

　　纯水密度可视为物理常数之一,是容量计量与密度计量的基准值。另外,它在研究物质的物理性质、海水的各种现象和性质等方面,都具有很重要的科学意义。

　　众所周知,水的密度是在101325 Pa不溶解杂质的状况下定义的。因此,平常实验上所用的水一方面由于可能偏离标准大气压,另一方面它也溶解了一定量的空气,所以要准确测量纯水密度,就必须进行溶解空气的补正及测定条件下的压力补正。此外,同位素组成不同的自然水,密度可相差1×g/cm3。要使水密度的最大测量误差为±1×g/cm3,就需要进行新的绝对测定和同位素组合的分析,以确定水的同位素组成对水密度的影响。本文研究的是气压为101325 Pa且不含空气的纯水密度。

　　1　纯水密度测量

　　纯水的密度测定已有几十年的历史了。1900年赛尔森(Thiesen)等人用连通管法测定了“正常”水的热膨胀系数(“正常”水是指具有“正常”或“平均”的同位素丰度率的纯水),1907年恰帕斯(Chap-puis)又用玻璃和铂铱膨胀计绝对测定了水的热膨胀。他们根据自己的实验数据,都分别编制了0 ~40℃之间的水的密度表。这两个表的间差随着温度的升高而变大,在16℃之前比较一致,超过16℃时就大于1× g/cm3,在25℃时,间差为6× g/cm ,在40℃时,间差就增大到9× g/cm3。1937年美国标准局的蒂尔敦(Tilton)和泰洛(Taylor)在恰帕斯和赛尔森实验的基础上,分析了恰帕斯和赛尔森各自提出的水表间差的主要原因之后,提出了适合于早期实验数据的公式,将此公式换算成1968年的国际适用温标,则温度在0 ~ 42℃之间的纯水密度可表示为:

　　或

　　式(1)与式(2)等效,二者偏差为1× g/cm3,系数Bn如表1所示。

　　但是,上述实验的数值都是在对水的同位素组成不了解的情况下做出来的。近代实验已经指出:地球上不同地方水样的同位素丰度率变化相当可观,足以引起密度变化达5%或更大。

　　1966年贝格(Bigg)根据1900年赛尔森和1907年恰帕斯的实验数据和当时对水的同位素组合及其对水的密度影响的有限认识,提出了他的水的密度表。该表是以一个五阶多项式为基础的。1970年格林(Green)等人根据贝格的水的密度表计算了这个多项式,得到:

　　式中:系数C′n见表1。

　　1971年,西德技术物理研究院将式(3)换算为1968年国际适用温标,得到:

　　式中:系数Cn见表1。由于最大密度ρmax的不可靠性为±3× g/cm3,并考虑到用1900年赛尔森和1907年恰帕斯的测试数据所计算的水的热膨胀系数的不可靠性,所以依照式(4)计算的水的密度表的不可靠性最大为±5× g/cm3。根据式(4)计算的水的密度最大值在t68=3.98℃时(实际t68=3.9557~4.0043℃),ρmax=999.9720kg/m3。