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表面張力再思考
來源:李傳亮 瀏覽 691 次 發(fā)布時間:2022-08-16
科學是思想的產(chǎn)物,對科學問題多思考一下沒壞處。表面張力,也叫表面自由能,教材上的解釋是,液體內(nèi)部的分子受力平衡,而位于界面上的分子受力不平衡,當把液體分子A從內(nèi)部移動到界面時需要做功,因此,界面上的分子比內(nèi)部的分子能量多,多余的能量就是表面自由能。
液體不能單獨存在,上面還會有氣體,氣體分子對液體分子的吸引力小,液體分子對氣體分子的吸引力大。若把液體內(nèi)部的分子A移動到界面需要做功,那么,把氣體內(nèi)部的分子B移動到邊界也需要做功嗎?把界面上的分子移動到液體內(nèi)部就不需要做功嗎?
實際上,氣體分子的能量比液體分子高,液體變成氣體需要吸收能量,氣體變成液體需要釋放能量。根據(jù)下圖右側(cè)的能量曲線,界面上的分子并沒有多余的能量,只是介于氣液能量之間,怎么能說界面上有多余的能量呢?
界面張力或表面張力,從受力分析上可能更容易理解。松弛狀態(tài)下的界面不受力,界面張力為0,界面受到拉伸時界面張力增大。也就是說,界面張力不是常數(shù),而是一個變量,就像彈簧的受力狀態(tài)一樣。受力后分子間距增大,儲集了一部分彈性能。分子間的吸引力越大,界面張力肯定也就越大。
在水中加入表面活性劑為何會降低界面張力?水分子屬于極性物質(zhì),靠氫鍵凝聚在一起。表面活性劑為兩性分子,一端為極性端,另一端為非極性端。加入水中的表面活性劑分子會聚集在界面上定向排列,極性端伸入水中,非極性端伸入氣中。非極性端占據(jù)了一部分界面面積,致使界面上分子間的吸引力減弱,從而降低了界面張力。這種情況下界面受到的拉伸作用不是很強,水驅(qū)油過程就是如此。
但是,當界面受到強大的拉伸作用被拉成薄膜甚至是單分子層時,界面上的分子排列方式也發(fā)生了變化,大分子順層排列,增強了界面的強度,也提高了界面張力的數(shù)值,就如同給水泥加了鋼筋一樣。這大概就是泡泡為何風吹不破的原因吧。