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結(jié)合邏輯知識(shí)及力的三要素探討表面張力的客觀性

來源:余高奇 瀏覽 1386 次 發(fā)布時(shí)間:2023-02-23

力是使物體產(chǎn)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因,力的“大小、方向與作用點(diǎn)”合稱力的三要素。一般認(rèn)為表面張力是由于液體表面層分子與體相分子受力差異所產(chǎn)生的一類使物體表面盡可能收縮的力[1].然而表面張力真的存在嗎?葉片上水滴的凝聚、水面上站立的水黽等事實(shí)能證明表面張力的客觀性嗎?表面張力的本質(zhì)是什么?本文擬結(jié)合邏輯知識(shí)及力的三要素,進(jìn)一步探討表面張力的客觀性。


1、表面張力客觀性與循環(huán)論證


葉片上水滴的凝聚、水面上站立的水黽等均是客觀存在


的事實(shí),目前人們選用“表面張力”來解釋這類現(xiàn)象;不能再用這些現(xiàn)象來“循環(huán)論證”表面張力的客觀性.


2、表面張力的三要素


如果表面張力是一種客觀存在的力,就應(yīng)存在大小、方向及作用點(diǎn)三個(gè)力的基本要素.


2.1、表面張力方向與作用點(diǎn)


表面化學(xué)認(rèn)為液體表面某點(diǎn)A的表面張力方向?yàn)榕c液面相切,并與過該點(diǎn)的液體不同區(qū)域的分界線(無數(shù)條)垂直,參見圖1、2.


圖1水平面A點(diǎn)示意圖   圖2 A點(diǎn)表面張力方向


由圖2可見,平面液體A點(diǎn)表面張力方向是從A點(diǎn)發(fā)出的一系列射線,其合力為0.


圖3凸液面表面張力示意圖   圖4凹液面表面張力示意圖


彎曲液面表面張力方向參見圖3、4.


圖3、4中虛線圓周處的紅色小箭頭代表表面張力方向,p0代表大氣壓,ps代表表面張力合力,即:附加壓力。由圖3、4可以看出彎曲液面表面張力的合力(附加壓力)不為0,其方向均指向彎曲液面的曲率中心。


由上分析可知:彎曲液面表面張力方向明確,其合力不為0;平面液體表面張力方向亦明確,其合力為0.


2.2、表面張力的大小


表面張力大小問題,本質(zhì)就是表面張力測量問題。


現(xiàn)階段液體表面張力測量方法主要包括最大氣泡壓力法、毛細(xì)管上升法及拉脫法等;必須指出最大氣泡壓力法、毛細(xì)管上升法等所測表面張力數(shù)據(jù)均依托“拉脫法”所獲取的蒸餾水的表面張力系數(shù)。


2.2.1、拉脫法


拉脫法是將一矩形細(xì)金屬絲框浸入被測液體內(nèi),然后再慢慢將它向上拉出液面,可看到金屬絲帶出一層液膜,參見圖3.

圖3金屬絲框示意圖


金屬絲框受力分析為:F=2γl+mg(1)


式(1)中F為向上拉力,γ為被測液體表面張力,l為細(xì)金屬絲框長度,m為金屬絲框質(zhì)量。


則:γ=(F-mg)/(2l)(2)


熱力學(xué)認(rèn)為該過程可逆表面功為:δW'r=γ?dA=(F-mg)?dx(3)

圖4表面功示意圖


式(3)中增加的表面積dA=2l?dx,dx為金屬絲在外力F作用下移動(dòng)距離。


代入可得:δW'r=γ?2l?dx=(F-mg)?dx


整理上式同樣可得式(2)。


上述推導(dǎo),表面上分析拉脫法與熱力學(xué)處理結(jié)果一致,似乎拉脫法與熱力學(xué)實(shí)現(xiàn)了完美結(jié)合.事實(shí)并不是如此。拉脫法測量表面張力時(shí),外力F需逐漸增大,直至液膜破裂,用式(2)計(jì)算時(shí),取液膜破裂一瞬間最大的拉力Fmax,這顯然與式(3)要求外力F必須保持恒定不一致,表明拉脫法與熱力學(xué)無關(guān),拉脫法所測蒸餾水的表面張力系數(shù)與熱力學(xué)并不相干。


需要指出拉脫法所測表面張力,即“使物體表面盡可能收縮的力”,本質(zhì)為一種應(yīng)力。


最大氣泡壓力法或毛細(xì)管上升法所測表面張力屬于熱力學(xué)表面張力,測量利用的是熱力學(xué)原理。


為測量方便及習(xí)慣,規(guī)定γ(蒸餾水,298.15K,100kPa)=71.97×10-3N/m.在此前提下用最大氣泡壓力法或毛細(xì)管上升法所測液體表面張力數(shù)值均為相對值。


2.3、表面張力本質(zhì)設(shè)想


筆者提出表面張力的熱力學(xué)新定義如下:


表面張力γ為單位表面積的物體所有的吉布斯自由能G,即:γ=G/As(4)


式(4)中γ為物體的表面張力,單位為N/m;G為物體的吉布斯自由能,其絕對值不可知,單位為kJ/mol;As為物體的表面積,單位為m2.


2.4含有表面張力的熱力學(xué)基本方程


dG=γ?dAs=-S?dT+V?dp+δW'(5)


將G=H-TS;A=G-pV;U=H-pV分別代入式(5)分別可得:


dA=-S?dT-p?dV+δW'(6)


dH=T?dS+V?dp+δW'(7)


dU=T?dS-p?dV+δW'(8)


則:式(5)、(6)、(7)及(8)為含有表面張力的熱力學(xué)基本方程。


恒溫、恒壓下,dG=γ?dAs=δW'(9)


將式(9)依次代入式(6)、(7)、(8)可得:


dA=-p?dV+γ?dAs(10)


dH=T?dS+γ?dAs(11)


dU=T?dS-p?dV+γ?dAs(12)


則:式(9)、(10)、(11)、(12)稱為恒溫恒壓下,含有表面張力的熱力學(xué)基本方程。


3、結(jié)論


[1]拉脫法與熱力學(xué)無關(guān);拉脫法所測表面張力,與熱力學(xué)方法所測表面張力類型不相同;


[2]熱力學(xué)表面張力新定義為:單位表面積物體所擁有的吉布斯自由能,即:γ=G/As;


[3]規(guī)定γ(蒸餾水,298.15K,100kPa)=71.97×10-3N/m.


[4]dG=γ?dAs=-S?dT+V?dp+δW'.


參考文獻(xiàn)


[1]天津大學(xué)物理化學(xué)教研室編.王正烈,周亞平,李松林,劉俊吉修訂.物理化學(xué)(下冊),第四版.北京:高等教育出版社,2001,12:350