文档介绍：量热技术和热物性测定
第九章表面张力
2017/11/11
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表面张力
在液体内部的分子,受到来自邻近分子间的吸引力,平均来说是相等的,即所受到邻近分子的吸引力的合力为零。处于液体表面的那些分子,却因气相中分子的密度小,对液体表面分子的吸引力很小以至于可忽略不计,而使液体表面分子受到一个指向液体内部的不平衡的净拉力。这个不平衡的净拉力有使液体表面分子尽可能地离开液体表面进入液体内部的趋势。从而使液体表面具有张力,有自发收缩的趋势。
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表面自有能
液体内部的分子移至液体表面(增加新表面)就必须克服净拉力对分子作功,才能将分子移至液体表面。由于对分子作功,所以移至液体表面后,分子具有的能量就比在液体内部时高。因此表面自由能是一种过剩量,即与正常体相内部相比较时,表面多出的那部分自由能,因此也称表面过剩自由能。
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液体表面张力和表面自由能分别是用力学和热力学的方法研究液体表面现象时采用的物理量,有相同的量纲,采用相应的单位时(例如分别用mN/m和mJ/m2),数值相同。
采用表面自由能,便于用热力学原理和方法处理界面;采用表面张力概念以力的平衡方法解决流体界面的问题具有直观方便的优点。
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影响表面张力的因素
表面张力是分子间吸引力强弱的一种量度。因此引起分子间吸引力变化的因素都会引起表面张力的变化。
温度对表面张力的影响
随温度的升高,液体的表面张力一般都会下降,当温度接近临界温度时,液相和气相的界线逐渐消失,表面张力最终降为零。
原因:液体的表面张力随温度升高而下降主要是由于液体的饱和蒸气压增大,气相中分子密度增加,因此气相分子对液体表面分子的吸引力增加。同时温度升高会使液相的体积膨胀,液相分子间距增大,分子间相互作用力减小。这两种效应均使液体的表面张力减小。
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影响表面张力的因素
表面张力是分子间吸引力强弱的一种量度。因此引起分子间吸引力变化的因素都会引起表面张力的变化。
压力对表面张力的影响
气相的压力对液体的表面张力影响的因素要比温度对液体表面张力的影响复杂得多。首先气相压力的增加使气相分子的密度增加,有更多的气体分子与液面接触,从而使液体表面分子所受到的两相分子的吸引力不同的程度减小,导致液体表面张力下降。但液体表面张力随气相压力变化并不太大。另外气相压力增加,气相分子有可能被液面吸收,溶解于液体中改变液相成分使液体表面张力发生变化。
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表面张力引起的附加压力
由于液体表面存在着表面张力,在表面张力的作用下弯曲液面的两边存在着压力差:在曲面的曲率中心这边的体相因受到附加压力的影响,其压力比曲面另一边体相的压力大。
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表面张力引起的附加压力
Young-Laplace公式:
设一毛细管,管内充满液体,管端有半径为r的球状液滴与之平衡,此时液滴的表面积、体积、表面自由能分别为:
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若对活塞施加一个很小的压力,此时液滴的表面积及体积及表面能的增量分别为:
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表面张力引起的附加压力
Young-Laplace公式:
环境对体系所作的膨胀功为:
此功转变为体系的表面能:
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得: 对于任意曲面:
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毛细现象
接触角0 °≤θ<90°,液面上升,呈凹月面;
接触角180 ° ≥θ>90°,液面下升,呈凸液面;
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