十一、液体的表面性质(§9-11)

    1. 表面张力

    (1)  从液体的微观结构上大家已经知道,液体中每一个分子都处于由周围分子所提供的引力作用之中。对于液体内部的分子,它所受引力作用总是球对称的,合力为零;而对于表面层中的液体分子,所受引力作用不是球对称的,合力不为零,合力的方向垂直于液面并指向液体内部。所以宏观上表现为液体表面具有收缩的趋势,这种收缩趋势就导致了表面张力。

    (2)  从能量的角度看,液体每一个分子都处于由周围分子的引力作用所提供的势能谷中。处于液体表面层中的分子,由于缺少了一部分分子对它们的引力作用,因而所形成的势能谷比液体内部的要浅,故能量较高,其高出部分的总和,就是液体的表面能。液体的表面能也称为表面自由能。在等温条件下,这部分能量可以转变为其他形式的能量。

    一个液体系统在稳定状态下应具有最低的表面能。这就要求液体表面层中应包含尽可能少的分子,从而也就要求液体系统应具有尽可能小的表面积,这就是液体表面的收缩趋势,也就是表面张力的由来。

    (3)  既然表面张力可以从力和能量两个不同的角度加以说明,那么表面张力系数也就可用两种不同的方法来定义。这两种定义教材中都作了叙述。

    2. 弯曲液面下的附加压强

    附加压强是由表面张力和液体表面弯曲两者共同引起的,而液面弯曲则与附着层的性质有关。

    3. 与固体接触处液面的性质

    (1)  附着层和表面层:液体若与固体相接触,界面以内厚度等于分子引力作用半径的液体层,称为附着层。液体若与气体相接触,界面以内厚度等于分子引力作用半径的液体层,称为表面层。

    对表面层而言,由于分子处于表面层内相互作用势能比处于液体内部为高,所以表面自由能总为正值,当液体处于稳定状态时,自由能应为最小,致使表面层有收缩的趋势,说明存在表面张力。

    (2)  润湿现象和不润湿现象的形成:对附着层而言,自由能可能为正值,也可能为负值。当液-液分子间引力大于液-固分子间引力时,附着层与表面层相似,其自由能为正值。这时,附着层也具有收缩的趋势,于是就形成液体对固体表面的不润湿现象。当液-液分子间引力小于液-固分子间引力时,液体分子处于附着层中相互作用势能反而比处于液体内部还要低,这时自由能为负值,附着层不仅没有收缩的趋势,反而有延展的趋势,于是就形成液体对固体表面的润湿现象。

    (3)  与固体接触处液面的弯曲:若液体润湿固体表面,接触角为锐角;若液体不润湿固体表面,接触角为钝角。

    4. 毛细现象

    毛细现象是由附加压强和附着层的性质共同引起的。

       
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