淺析《熱學(xué)》中的液體表面層中的分子特點(diǎn)及表面張力

韓文娟+強(qiáng)睿

摘 要：分析液體表面層中的分子特點(diǎn)，從分子力、分子勢能、分子數(shù)密度三個(gè)角度解釋表面張力，使抽象的知識(shí)點(diǎn)簡化、形象化，可使學(xué)生深入理解液體表面層的分子特點(diǎn)及表面張力實(shí)質(zhì)從而深化教學(xué)。

關(guān)鍵詞：《熱學(xué)》 分子特點(diǎn) 表面張力

中圖分類號(hào)：O552.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）10-0-01

在《熱學(xué)》實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生不太理解液體表面層的分子特點(diǎn)，對(duì)表面張力的實(shí)質(zhì)認(rèn)識(shí)不清，原因是此知識(shí)點(diǎn)本身就較為抽象、難于形象講解形成了學(xué)生理解上的障礙。本文分析液體表面層中的分子特點(diǎn)，從分子力、分子勢能、分子數(shù)密度三個(gè)角度解釋表面張力，可使學(xué)生深入理解液體表面層的分子特點(diǎn)及表面張力實(shí)質(zhì)，這對(duì)《熱學(xué)》教學(xué)很有幫助。

一、相關(guān)概念

1.界面[1]

一種物質(zhì)與另一種物質(zhì)（或雖是同一種物質(zhì)，但其微觀結(jié)構(gòu)不同）的交界處，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的過渡層。界面不是幾何學(xué)上抽象的平面或曲面，而是具有一定厚度，一般為幾個(gè)或十幾個(gè)原子的線度。表面層是液體與氣體的交界，是液體表面的過渡區(qū)域 。

2.表面張力[2]

表面張力是作用于液體表面上的使液面具有收縮傾向的一種力。微觀上是由于液體表面層內(nèi)分子力作用的結(jié)果。

二、分析表面層中的分子特點(diǎn)

1.液體表面層中分子受到的引力指向液內(nèi)[3]

把分子引力開始有明顯作用的范圍叫做分子作用球（為圖一、二中的藍(lán)色球體），它約為液體分子間距離（約10-10米）的幾倍。圖二中，起初分子將完全不會(huì)受到液體的作用力，c點(diǎn)開始受到指向液體的引力，隨著向液面接近，引力將急劇增大，e點(diǎn)最大，液體深入液體內(nèi)部時(shí)，逐漸出現(xiàn)相反方向的引力，而合引力急劇減小，分子更深入液體，離開液面的距離大于分子作用半徑，分子受到周圍分子的合引力為零。分子在表面層中受到其他分子施與的指向液體內(nèi)的引力，而在表面層之外的液體中，分子受到平衡的引力作用，就是這個(gè)表面層分子所受的指向液體內(nèi)的引力產(chǎn)生了表面張力。

2.液體表面層中的分子具有大于液體內(nèi)部分子的勢能

表面層中的分子受到指向液體內(nèi)的引力（合引力指向液體內(nèi)部）將表面層的分子移到液體內(nèi)部時(shí)，合引力指向液體內(nèi)部，移動(dòng)方向與力方向相同，合引力作正功，勢能減少，所以表面層中的分子具有比液體內(nèi)部分子具有更大的引力勢能。

3.表面層中的分子數(shù)密度小于液體內(nèi)部

表面層內(nèi)分子的引力勢能較液體內(nèi)部大，表面層內(nèi)分子的平均距離比液體內(nèi)部大（無窮遠(yuǎn)處為勢能零點(diǎn)，分子的引力勢能為負(fù)）。可見表面層內(nèi)分子的平均距離比液體內(nèi)部大，表面層內(nèi)分子的排列比內(nèi)部疏松（越靠表面，排列越疏松）分子數(shù)密度越小。

三、從分子力、分子勢能、分子數(shù)密度三個(gè)方面討論表面張力的本質(zhì)

1.從分子力角度

液體表面層中分子受到的引力指向液內(nèi)，根據(jù)力學(xué)原理，在此引力下，分子會(huì)有走向液體內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)，液體表面層中分子對(duì)要移動(dòng)的分子體現(xiàn)了依依不舍的“拉力”，液體表面因而就有收縮的趨勢，賦予了液體表面以不同于液體內(nèi)部的性質(zhì)，產(chǎn)生表面張力。

2.前已述及，液體表面層中的分子具有大于液體內(nèi)部分子的勢能

表面越大，表面層中的分子數(shù)就越多，整個(gè)表面層的勢能就越大。處于保守力場作用下的物質(zhì)系統(tǒng)如果無其他外力作用，勢能趨于最小值。液體表面因而就有收縮的趨勢，從而說明了表面張力的產(chǎn)生。

3.表面層中的分子數(shù)密度角度

表面層內(nèi)分子的引力勢能較液體內(nèi)部大，可見表面層內(nèi)分子的平均距離比液體內(nèi)部大，從分子力角度分析知道在此引力下，分子會(huì)有走向液體內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)，表面層中的分子數(shù)密度小于液體內(nèi)部，說明表面層內(nèi)分子的排列較液體內(nèi)部疏松（而且越靠表面，排列越疏松），分子數(shù)密度較小，表面層中的分子間的吸引力要明顯大于液體內(nèi)部，這就是表面張力產(chǎn)生的機(jī)理。

通過討論，使抽象的知識(shí)點(diǎn)簡化、形象化，讓學(xué)生更好理解液體表面層的分子特點(diǎn)和表面張力的實(shí)質(zhì)，對(duì)《熱學(xué)》教學(xué)很有幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]李椿，章立源，錢尚武.熱學(xué)[M].第二版，北京：人民教育出社，2010.244-258.

[2] 趙凱華.熱學(xué)[M].第二版，北京：高等教育出版社，2005.212-225.

[3] 秦允豪.熱學(xué)[M].第三版，北京：高等教育出版社，2004.243-251.

作者簡介：韓文娟，（1975-），女，漢，河北保定，教授，碩士，主要從事量子多體理論的研究。endprint