液體表面張力研究中,兩個(gè)需要修改的問題

王樂平 李紅梅

摘 要:在液體表面張力的研究中,通過對(duì)彎曲表面附加壓力知識(shí)的學(xué)習(xí),以及用最大氣泡法對(duì)不同濃度乙醇溶液表面張力的實(shí)驗(yàn)測(cè)定,筆者認(rèn)為目前國內(nèi)部分高等院校所用物理化學(xué)教材[1][2][3]及相關(guān)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材[4][5]存在兩個(gè)需要修改的問題,以求理論知識(shí)的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性.兩個(gè)需要修改的問題如下:一、原有知識(shí)附加壓力定義為彎曲液面內(nèi)外壓力差,符號(hào)ΔP。上述附加壓力概念應(yīng)修改為附加壓強(qiáng),即附加壓強(qiáng):彎曲液面內(nèi)外壓強(qiáng)差稱為附加壓強(qiáng),符號(hào)為ΔP。二、最大氣泡法測(cè)溶液表面張力的實(shí)驗(yàn),以實(shí)驗(yàn)理論研究為依據(jù),最大氣泡法應(yīng)改為最大泡壓法。

關(guān)鍵詞:附加壓力附加壓強(qiáng)最大氣泡法最大泡壓法表面張力

中圖分類號(hào):G6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)05(b)-0233-01

表面物理化學(xué)應(yīng)用廣泛,在物理學(xué)化學(xué)生物學(xué)等學(xué)科以及化工環(huán)保采礦材料土壤食品醫(yī)藥等方面都用到表面物理化學(xué)的原理。表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì),是表面分子所受的不平衡力的結(jié)果,它的方向沿液面切線方向,表面張力測(cè)定,目前實(shí)驗(yàn)教科書大多采用最大氣泡法[4][5]。通過對(duì)最大氣泡法的實(shí)驗(yàn)研究[8][9][10],筆者認(rèn)為最大氣泡法應(yīng)修改為最大泡壓法。

本文通過對(duì)彎曲液面受力分析,我們對(duì)液體的表面現(xiàn)象有更深入的認(rèn)識(shí)。由于表面張力作用的結(jié)果,當(dāng)表面為平面時(shí),沿周界的表面張力互相平衡,表面兩側(cè)滿足P液＝P氣。當(dāng)表面彎曲時(shí),沿周界的表面張力不能平衡,作用在周界上的表面張力形成指向液面曲率中心方向的合力,相當(dāng)于液面受到一額外壓強(qiáng),這種因彎曲液面表面張力而產(chǎn)生的壓強(qiáng)稱為附加壓強(qiáng)。此時(shí)表面兩側(cè)存在壓強(qiáng)差,ΔP＝P液－P氣≠０。目前國內(nèi)部分高等院校所用物理化學(xué)[1][2][3]教材原有知識(shí)附加壓力為彎曲液面內(nèi)外壓力差,符號(hào)ΔP。表述不夠準(zhǔn)確,為求理論知識(shí)的準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性.上述附加壓力概念應(yīng)修改為附加壓強(qiáng),這也與教科書《物理學(xué)》[6]、《醫(yī)用物理學(xué)》[7]中液體表面性質(zhì)的附加壓強(qiáng)概念相統(tǒng)一。

1 附加壓力改為附加壓強(qiáng)的研究

1.1 不同液面受力分析

1.1.1 平液面

在液體的表面取一圓形面積AB。對(duì)于面積表面張力作用在的邊緣線上,力的方向和液面相切并且和的邊界線相垂直。當(dāng)液面是水平面時(shí)。表面張力作用方向也是水平的,作用在圓周各方向的表面張力相互抵消,合力為零,所以由于表面張力存在而對(duì)液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)為零。設(shè)向下的大氣壓強(qiáng)為P(g),則向上的反作用力產(chǎn)生壓強(qiáng)P(l),則有:P(l)＝P(g)

1.1.2 凸液面

對(duì)于凸液面,作用在圓AB周邊的表面張力不在一個(gè)水平面上,合力的方向指向液體內(nèi)部,該合力產(chǎn)生的壓強(qiáng)為附加壓強(qiáng),大小以Δp表示。則凸液面上受到的總壓強(qiáng):P(l)＝P(g)＋ΔpΔp＝P(l)－P(g)

1.1.3 凹液面

同理,對(duì)于凹液面,表面張力的合力的方向指向液體外部,該合力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)大小為Δp,凹面上受到的總壓強(qiáng):P(l)＝P(g)－ΔpΔp＝－(P(l)－P(g))

1.2 附加壓強(qiáng)

由以上分析得出,由于表面張力存在,彎曲液面存在附加壓強(qiáng),由此將附加壓強(qiáng)定義為彎曲液面內(nèi)外壓強(qiáng)差,符號(hào)Δp表示。

對(duì)于曲率半徑為r的球形彎曲液面,附加壓強(qiáng)Δp＝2s/r,單位N·m-2。附加壓強(qiáng)方向規(guī)定為:當(dāng)附加壓強(qiáng)指向液相內(nèi)部時(shí)為正,指向液相外部時(shí)為負(fù)。

凸液面上因外壓與附加壓強(qiáng)的方向一致,液體所受的總壓等于外壓和附加壓強(qiáng)之和,總壓比平液面上大。

凹面上因外壓與附加壓強(qiáng)的方向相反,液體所受的總壓等于外壓和附加壓強(qiáng)之差,液體所受的總壓比平面上小。

2 最大氣泡法改為最大泡壓法實(shí)驗(yàn)理論研究

溶液表面張力測(cè)定以最大氣泡法最為常見,目前國內(nèi)各版本物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材及開設(shè)的實(shí)驗(yàn),大多數(shù)以最大氣泡法命名。筆者以實(shí)驗(yàn)為依據(jù),證明最大氣泡法的命名存在明顯錯(cuò)誤,應(yīng)改為者最大泡壓法。

待測(cè)溶液置于張力計(jì)1中,使毛細(xì)管末端與液面相切,由于毛細(xì)現(xiàn)象,液面沿毛細(xì)管上升至平衡。將減壓器2上活塞4打開與室內(nèi)大氣壓相通,關(guān)閉活塞4,將數(shù)字微差壓力計(jì)按“采零”鍵,即將室內(nèi)大氣壓作為0標(biāo)準(zhǔn),再按數(shù)字微差壓力計(jì)“單位”鍵選擇為KPa。打開裝著水的減壓器2的活塞5,開始滴液使連通的系統(tǒng)減壓。此時(shí),由于毛細(xì)管內(nèi)部液面所受壓力大于毛細(xì)管外部待測(cè)液面所受壓力,毛細(xì)管液面不斷下降,將從毛細(xì)管緩慢析出氣泡.在氣泡形成的過程中,由于表面張力的作用,凹液面產(chǎn)生一個(gè)指向液面外的附加壓強(qiáng)△P,因此有以下關(guān)系:P大氣＝P系統(tǒng)＋△P

對(duì)于圓形彎曲液面,附加壓強(qiáng)與表面張力成正比,與氣泡的曲率半徑R成反比?！鱌＝2σ÷R

若毛細(xì)管管徑較小,則形成的氣泡可視為球形。氣泡剛形成時(shí),由于表面幾乎是平的,所以曲率半徑R極大,當(dāng)氣泡形成半球形時(shí),曲率半徑R等于毛細(xì)管半徑r,此時(shí)R值最小。隨著氣泡的進(jìn)一步增大,R又趨增大,直至逸出液面。R等于r時(shí),附加壓強(qiáng)最大:△P＝2σ÷r

最大附加壓強(qiáng)由數(shù)字微壓差計(jì)得出.即數(shù)字微差壓力計(jì)顯示的最負(fù)數(shù)值取絕對(duì)值.據(jù)此,我們可以得出最大氣泡法應(yīng)改為最大泡壓法。

對(duì)給定張力計(jì),配置的毛細(xì)管半徑r為確定值,但不易測(cè)得,設(shè)r/2=K為儀器常數(shù),則有σ＝K×ΔP

用已知表面張力的液體作為標(biāo)準(zhǔn),可以測(cè)得儀器常數(shù)K,測(cè)得儀器常數(shù)K后就可以用同一裝置測(cè)定其它未知液體的表面張力。

以上液體表面張力研究中,兩個(gè)需要修改的問題,有望在新版本的物理化學(xué)教科書和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教科書中得到訂正。

參考文獻(xiàn)

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