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結合邏輯知識及力的三要素探討表面張力的客觀(guān)性
來(lái)源:余高奇 瀏覽 1077 次 發(fā)布時(shí)間:2023-02-23
力是使物體產(chǎn)生形變或運動(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(chēng)力的三要素。一般認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(lèi)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(guān)性嗎?表面張力的本質(zhì)是什么?本文擬結合邏輯知識及力的三要素,進(jìn)一步探討表面張力的客觀(guān)性。
1、表面張力客觀(guān)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(guān)存在
的事實(shí),目前人們選用“表面張力”來(lái)解釋這類(lèi)現象;不能再用這些現象來(lái)“循環(huán)論證”表面張力的客觀(guān)性.
2、表面張力的三要素
如果表面張力是一種客觀(guān)存在的力,就應存在大小、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)認為液體表面某點(diǎn)A的表面張力方向為與液面相切,并與過(guò)該點(diǎn)的液體不同區域的分界線(xiàn)(無(wú)數條)垂直,參見(jiàn)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(jiàn),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(xiàn),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(jiàn)圖3、4.
圖3、4中虛線(xiàn)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(wèn)題,本質(zhì)就是表面張力測量問(wèn)題。
現階段液體表面張力測量方法主要包括最大氣泡壓力法、毛細管上升法及拉脫法等;必須指出最大氣泡壓力法、毛細管上升法等所測表面張力數據均依托“拉脫法”所獲取的蒸餾水的表面張力系數。
2.2.1、拉脫法
拉脫法是將一矩形細金屬絲框浸入被測液體內,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(jiàn)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為細金屬絲框長(cháng)度,m為金屬絲框質(zhì)量。
則:γ=(F-mg)/(2l)(2)
熱力學(xué)認為該過(guò)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,表面上分析拉脫法與熱力學(xué)處理結果一致,似乎拉脫法與熱力學(xué)實(shí)現了完美結合.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(wú)關(guān),拉脫法所測蒸餾水的表面張力系數與熱力學(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)為一種應力。
最大氣泡壓力法或毛細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。
為測量方便及習慣,規定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管上升法所測液體表面張力數值均為相對值。
2.3、表面張力本質(zhì)設想
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(chēng)為恒溫恒壓下,含有表面張力的熱力學(xué)基本方程。
3、結論
[1]拉脫法與熱力學(xué)無(wú)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(lèi)型不相同;
[2]熱力學(xué)表面張力新定義為:?jiǎn)挝槐砻娣e物體所擁有的吉布斯自由能,即:γ=G/As;
[3]規定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
[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