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1、齐齐哈尔轻工学 院 学 报工一对液滴表面张力的探讨江铭伯物理化学 教研室摘要本文从经典力学、统 计力学的观点云发,、对液滴表面张力的成因,进行了剖析,业在 此基础上认定促 成液滴缩小表面的力,是沿着球形液滴表面法向、指 向球形液滴几何中心的表面紧缩 力。关健 词液滴表面张力表面能紧缩张力问题的提出宏观物质 的表面层,具有与内部不 同的性质和特点,这便是一系列表面现象之所以产生的根本原因。已有的表面科学认定,处在气相中的液滴,其表层分子,在所受液滴内部同类分子 的引力大于液滴外气相分子引力的情况下,将会受到指向液滴内部,垂直于界面的引力作用。这就是说,液滴的表层分子,是处于一种内向的受力状态之下
2、。液滴表面遂具有一种缩小的趋势、水滴、汞滴之呈现球形,原因正在于此。液滴表面 的这种收缩趋势就犹 如在液滴表面 存在着一张绷紧的薄膜,在这张薄膜上作用有沿着切 线方向的收缩张力【。垂直于表面任一直线方 向单位长度的收缩张力,谓其做表面张力或称界面张力。这样,液滴表层分 子所受内向引力与表面薄膜所受收缩张力,都是物质的特性,产生的原 由虽然相 同,但表现 的形式却不一样。由经典力学原理可知,力乃物体之 间的相互机械作用,是物体产生位置变化和形状变化的外因。任何形式的力,既不能随意创造,又不可 主观设想“。那么,液滴表面薄膜的收缩张力又何以产生表层分子所受内向引力与表面“薄膜”的切向收缩张力,既属
3、 同一原 因导致的物质特性,为什么又同时表现为沿球形液滴表面法向和切向的迥然不 同 的两种形式液滴表面张力的成因实际上,宏观液滴所表现 的性质 是组成液滴诸多分子各自行为 的统计再现,液滴表本文于年月日收到液 时 滴表面张力 的探讨面 的特性,是液滴表层分子所处特殊状态 的统计反映。液滴表面的所谓“薄膜”是不存在的。一个宏观液沛中的每个分 子,都处在较之气体分子运动范围为小的,永不停歇的运动变化之 中公当着我们无须顾及过程 中的化学反应只考虑液滴的行为特征及物理势态的变化时,完全有理由把宏观 的液滴简化为同类的,具有一定质量,但却可忽略其大小尺寸的质点一一分子所组成的集合体。液滴的呈现球形表明
4、,液滴的表层分子,是在一种特殊力的作用下,处在一种特殊的运动状态之中。它们几率最 大的运动轨迹为以液滴的几何中心为 园心的、处在不 同平面上 的园,它们的统计 总和,便是一个球面。液滴的呈现球形表明,液滴的表层分子,只受到指向液滴几何中心、数值固定的、沿分子运动园轨迹法向之 向心力一一引力的作用、。实际上,液滴的表层分子,作为一个作园周运动的质点,本可 同时受到沿其园轨迹切 向和法向的两种力和。的作用,其动力关系为、少、声了、了、,二图 。二。或写成数值关系”口 一丁万 “工,式中,、一一表层分子所受园轨迹之切向、法 向力几一一表层分子的切向、法向加速度二卜一生 丫一一分子运动园轨迹之切 向、
5、主法线 向单位矢一一液滴分子质量,一一表层分子至滴心 的距离,即其轨迹园之半径。上列各式表明,切 向力改变着表层分子运动速度之数值,而法向力改变着表层分子运动方向。齐 齐哈尔 轻工学院学报一年第期设想液滴为由一个分子为 中心,一层 同类分子做球表面的最基本、最简单的情况。显然,表层分子所受到的法 向力即是指向滴心的、由分子引力导致的、数值固定的向心力。表层分 子的轨迹既为一园,据式可知,其运动速度之值当不会 改变,即有为常数。这样。式中、。说明,表层分子运动中,将不会受到导致其运动速度之值变化的沿其园轨迹切线方向的图力的作用。每附加一层分子,原表层转化为液滴本体,附加层即为表层。这时,新表层分
6、子运动 中沿其 园轨迹切 向不受力、法 向所受向心力数值不变的情况,几无差别。综上所述,不难 理解,宏观液滴的表面,既无“犹如”之“薄膜”今又不会存在沿液滴球形表面切向 的“紧缩张力”的作用。而促成液滴紧缩为球形表面的力。一正是表层分子所受到 的、指向滴心的、由分子 引力导致 的、力。对同一表层分子晕鲜手孪鲍向心广一又、,“。表面紧缩力定义由上面对液滴形成机 理及表层分子特性的分析可见,当不必顾及重力的作用时,在液滴的表层之外。分子引力发挥作用的范围之内,存在着这样一个空 间如图同类分子处在任一点时都会受到量值仅与其相 对滴心位置有关的、指向滴心的引力作用,即该 引力图式 中一一分子所受引力之
7、值一一分子至滴心的距离。按经典力学原理 该空间为一引力场。众 科尸叮同时又是一势力场。称其为表面力场。分子所受引力即为有势力。这一处在液滴表层空间的势力场,可在该表面力场中,表层分子 的任一远离滴心、力图增大液滴表面的行为,都必须克服有势力一一引力而做功,同时增加液滴表面的势能,这便是加大液滴表面环境对物系做功 的情况。反之,表面分子 的任一一趋向滴心、力图缩小表面 的行为都是表面力场有势力一一引力做功。同时降低分子 的势能,这便是缩小液滴表面物系对环境做功的情况。显然,在表面势力场中,当我们选取最为紧缩、最为稳定的球表面为零势面时,在对 液 滴表面张力的探讨等温、等压下,可逆的增大液滴表面,
8、环境对物系所做非体积功一可,等于液滴所增加的表面 自由片,这既是所谓 的表面能,又是液滴表面 的势能。即有一,可八这样,由零势面位置增加液滴单位表面积环境对物系所做有用功、液滴增加的表面自由恰,所具有的势能,体现了液滴表层分子所受指向滴心的引力一一表面力场有势力的作用强度。可称其为“表面紧缩力,如将其 表为,”则八 八认一八日一,可 一百入“表面紧缩力”,作为有势力,所潜含的长度因素,并不处在表面上,而是对应 于势力场中表层分 子轨迹园的半径上。可见,“表面紧缩力”方是使液滴表面“绷紧”的所谓“绷紧力”。对两个表面现象的分析迄今,对许多典型 的表面现象、甚至是用来说明“表面 张力”客观存在 的
9、现象所作的分析,非但不足以肯定“表面张力”的存在,反倒使人感到“沿液滴表面 的切向张力是否存在尚有待进一步商榷”,而存在着沿液滴表面法 向的“紧缩力”似乎“勿容置疑”。这里,试通过对两个易于反映表面现象本质的实例 的剖析,披露几点个人 的理解和认识。在定量的对“表面张 力”实施具体分析时,常引入如图的铂丝框 中液膜,作为分析、研究的对象,其实是欠妥的。首先,引入这一实验现象是为了证明沿液滴表面切向“张力”的存在并实行定量分析。, ,寸衬叹叹 粤粤井挤挤图因此,所取之“表面”必须具备较为充分 的“典型”性。实际上,铂丝框上的液膜表面难以作为实际液 滴表面的“模型”,其 行为不足以反映液滴表面 的
10、固有性质。气相中的宏观 液滴是在一定的动力、热力学条件下自然形成的,而铂丝框上的液膜表面却是在作为“刚体”的铂丝框的强制作用下,就范于铂丝框的外形,是具有特殊受力状态、特殊结构的液体分子集合体。它已经失去了液滴表面作为液滴中具有特殊性质部分 的完整性和连续性。如,液膜表面被强制的拉成“平面”,被分割为一边缘与固体接触的有限部分。在固体外力的作用下,液膜的上、下表面已经不能完全具备液滴表面作为球面表层所固有的本质与特征。其次,用铂丝框强行限定了液膜表面 的平直外形,却又在此平面方向借助活动铂框施之以力、以“如不施力。活动铂框即行左移”说明沿表面切 向的张力确实存在,齐 齐哈尔轻工学院学报年第期未
11、免有牵强、武断之嫌。何以证明液膜上、下表面曲率为零只允许活动铂框在限定的平面内移动,焉知与力平衡的不会 是液膜表面 中不处在铂框平面上 的分布力在该平面上 的分量最后,经过抽象、简化以建立研究模型是为突出主要矛盾、摈弃次要因素,实现对客观事物之发展规律的逐渐深化认识的行之有效的方法。但作为模型,其可用性必须经过详尽、充分 的论证。然而,对铂框上液膜表面 的某些行为可用来说明液滴表面切向张力的存在,论据尚嫌不足。下面,运用液滴表面的法 向紧缩力,分析、研究液滴于固相表面上 的润湿现象。液滴 对固体表面 的润湿现象,是表面现象的一种具体形式。它反映着液体对固体的亲合状况。可能有润湿、不润湿及铺展三
12、种不同的形态。当液滴处在固相平面上呈稳定状态时,在固一气 一液三相界面 的交点上图液滴同时所受三个界面的表面紧缩力二气固,。液固,气液,将处于平衡状态。曾定义之过点的液一固界面与气一液界面切向间的夹角一接触角,正是点处液滴所受气一液界面、液一固界面表而紧缩力气液,液固间 的夹角。这时,据平衡方程应有气固口液固十气液由此 同样可导 出表示接触角与表面紧缩力的如同杨氏丫方程 的如下关系式图二仃气。固一液。固气。液由上式可 见当气固。液固时,图义泛“。这时,在气一液界面 维持不变的情况下,用液体复盖固体表面,可达到缩小气一固界面降低表面能的目的图。在二的极限情况下,液滴对固体表面全部润湿,这便是液滴沿固体表面的铺展。当气固二液固时,。 。这时,在气一液界面维持不变的情况一,液滴对固体表面 的复盖越小,越是有益于表面能的降低。故而,液滴被紧缩得更园些,接触 角遂更 大 些图。在。的极限情况下,液滴对固体表面将完全不润湿。由 上面的讨论,不难 看 出,以法 向的“表面紧缩力,代替切向的“表面张力”,不仅结论相同,而且同样方便。对液 滴表面张力的探讨参考文献胡英,陈学让,吴树森编物理化学,第二版,北京高等教育出版社李世丰,曾庆衡,物理化学,第一版,非京高等教育出版社,漆安慎,杜禅英编,力学基础,北京高等教育出版社,只二。,二二中忆。二兹,。一几二 石。川,及几。只二二,一一、一。
