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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溶液表面张力及其影响因素探究

已有 383 次阅读 2025-3-31 07:13 |系统分类:教学心得

       本文拟结合准静态过程假说,介绍溶液表面张力的热力学定义及其各影响因素的作用机制,供参考.

       拉脱法所测蒸馏水表面张力系数与热力学无关,依托蒸馏水表面张力系数所得各类表面张力数据缺乏热力

逻辑,需重新给出溶液表面张力的热力学定义.

  1. 溶液表面张力的准静态过程假说定义

    单位表面积的溶液所拥有的吉布斯能被定义为准静态过程假说的溶液表面张力(γ),参见如下式(1)所

示: γ=G/As                  (1)

       式(1)中“G”表示溶液所拥有的吉布斯能;“As”代表溶液的总表面积.

       准静态过程假说认为:溶液表面张力为状态函数,为没有方向的标量;单位为N·m-1.

  2.有表面张力的热力学基本方程 

      设某溶液A的表面张力(γ)为温度(T)、压强(p)、有效功(W')及溶液表面积(As)等自变量的函

数,可表示为:γ=γT,p,W',As

      依热力学基本原理,并结合式(1)可得:

      dG=γ·dAs+As.dγ=-S·dT+V·dpW'                (2)

       对于一般热力学过程,可近似认为表面张力(γ)恒定不变,此时式(2)可化简为:

        dG=γ·dAs=-S·dT+V·dpW'                         (3)

       式(3)即为通常意义的含有表面张力的热力学基本方程.

  3.溶液表面张力的影响因素探究

      如果某热力学过程,As=const.

      此时式(2)可化简为:dG=As.dγ=-S·dT+V·dpW'                (4)

      由上式可得:

      image.png                              (5)

    3.1 温度对溶液表面张力的影响

      由式(5)可得:

      image.png                               (6)

      式(6)显示:在恒压、有效功为0及溶液表面积保持恒定的前提下,升高温度,溶液表面张力数值将减小.

      例如:γ(正丁醇溶液,298.15K)>γ(正丁醇溶液,308.15K)

   3.2 压强对溶液表面张力的影响

      由式(5)可得:

      image.png                                (7)

      式(7)显示:在恒温、有效功为0及溶液表面积保持恒定的前提下,加压,溶液表面张力数值将增大.

      例如:γ(正丁醇溶液,300kPa)>γ(正丁醇溶液,100kPa)

  3.3 有效功对溶液表面张力的影响

      由式(5)可得:

      image.png                                     (8)

      式(8)显示:在恒温、恒压及溶液表面积保持恒定的前提下,环境提供有效功,溶液表面张力数值将增大. 

   3.4 溶液表面积对溶液表面张力的影响   

      一般认为,在恒温、恒压及环境不提供有效功的前提下,改变表面积,溶液表面张力恒定不变,参见如下式

(9)所示:

     image.png                   (9)

   4.结论

     ⑴ γ=G/As

     ⑵dG=γ·dAs=-S·dT+V·dpW' ;

     ⑶在恒压、溶液表面积恒定δW'=0的前提下,升高温度,溶液表面张力将减小;

     ⑷在恒温、溶液表面积恒定δW'=0的前提下,加压,溶液表面张力将增大;

     ⑸在恒温、恒压溶液表面积恒定的前提下,环境提供有效功,溶液表面张力将增大;

     ⑹在恒温、恒压及δW'=0的前提下,改变表面积,溶液表面张力保持不变.






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