余高奇博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/yugaoqi666 经典热力学也称平衡态热力学,研究系统由一个热力学平衡态变化至另一个热力学平衡态的准静态过程的自发性; 它是真实热力学过程发生的必要条件。

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表面张力类别介绍

已有 913 次阅读 2024-6-9 12:46 |系统分类:教学心得

       表面张力是均匀液相物质的最重要热力学性质之一,目前出现在各类热力学教材的表面张力,通常可划

分为“拉脱法表面张力、最大气泡压力法表面张力及热力学表面张力”三大类.

 1.拉脱法表面张力

       由于表面层与本体分子间作用力的差异,产生的一类引起均匀液相物质表面收缩的单位长度上的力,称拉

脱法表面张力,其单位为N· m-1.

       拉脱法表面张力测量示意图,参见如下图1所示:      

image.png

                                                   图1. 拉脱法测量均匀液相物质表面张力示意图.

        图1中“l”代表金属拉环的长度;“mg”代表金属拉环的重量;“γ”代表均匀液相物质的表面张力;

F”代表拉力.

       测量过程,F逐渐增大,直至液膜破裂,此时拉力记为:Fmax.

       则:image.png                (1)

备注:式(1)中“2l”指液膜的前、后两个液面.

      拉脱法所测表面张力γ,本质为一应力,与热力学无关.

      现阶段各类工具书中均匀液相物质的表面张力数据,绝大多数都由“拉脱法”测量或计算得到.

 2.最大气泡压力法表面张力

      由于表面层与本体分子间作用力的差异,产生的一类与破裂瞬间气泡所承受的最大附加压力相匹配的

用力,称最大气泡压力法表面张力, 其单位为N· m-1.

      最大气泡压力法表面张力测量示意图,参见如下图2所示:

image.png

                                                      图2. 最大气泡压力法表面张力测量示意图

       测量过程,通过滴水管连续滴水,让毛细管间断产生气泡,气泡由小变大,最终破裂;该过程气泡所承受

的附加压力可连续监测,记录每个气泡的最大附加压力Δpmax.

       则:image.png          (2)

       式(2)中“k”代表仪器常数. 

       另:image.png        (3)

       由拉脱法获取的蒸馏水表面张力[γ(蒸馏水)]及最大气泡压力法获取的蒸馏水最大附加压力[Δpmax(蒸馏水)],

通过式(3)得到仪器常数k.

       由式(2)计算得到各均匀液相物质的最大气泡压力法表面张力.

       需强调最大气泡压力法表面张力与拉脱法表面张力测量原理不相关;最大气泡压力法表面张力仅借用了拉

脱法获取的蒸馏水表面张力数据.

 3. 热力学表面张力

     单位表面积所拥有的吉布斯能,称均匀液相物质的热力学表面张力,参见如下式(4)所示:

     image.png                                            (4)

  3.1 均相纯组分液相物质

     对于均相纯组分液相物质,

     image.png                                            (5)

    结合式(4)及   (5)可得:

     image.png                                     (6)

    式(5)及(6)中“μ*及n”分别代表均相纯组分液相物质的化学势与物质的量.

   3.2 理想液态混合物

     对于理想液态混合物

     image.png                              (7)

     image.png                               (8)

     结合式(4)、(7)及(8)可得:

     image.png          (9)

       准静态过程假说[1]选取不同温度下蒸馏水的拉脱法表面张力数值,及105N/m单位,做热力学表面

张力标准. 参见如下表1所示:

                                                表1. 标态不同温度下蒸馏水的热力学表面张力数据

image.png 

       准静态过程假说指定以表1数据为基准,获取不同温度下其它纯组分物质的热力学表面张力;

物质的热力学表面张力为相对值.

      需指出:通常情况下均匀液相物质的热力学表面张力无法实测.

 4. 结论

        ⑴表面张力包括拉脱法表面张力、最大气泡压力法表面张力及热力学表面张力”三种不同类别;

       ⑵现阶段各类工具书中均匀液相物质的表面张力数据,绝大多数都由“拉脱法”测量或计算得到;

       ⑶热力学表面张力是尚处于发展阶段的一类表面张力.

参考文献

[1]余高奇.表面张力热力学属性探究(Ⅱ).科学网博客,2024,6




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