表面張力係數

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表面張力使得這隻水黽能在水面行走
這朵花之所以未被淹沒,是由于受到水的表面張力

热力学对表面张力系数的广义定义为:表面张力系数σ是在温度T压力p不变的情况下吉布斯自由能G面积A偏导数

 \sigma = \left(\frac{\partial G}{\partial A} \right)_{T,p}

吉布斯自由能的单位是能量单位,因此表面张力系数的单位是能量/面积。

模型正确的地方[编辑]

  1. 表面张力是由物态内部的吸引力导致的,拿液体为例,液体内部分子之间的吸引力一般比气体中分子之间或气体与液体之间的分子之间的吸引力要大。
  2. 表面张力的起因实际上是界面所造成的不对称。

当心误解[编辑]

表面张力是一个位于表面内的力,而不是一个施加于表面上的力。表面张力不一定垂直于表面。

一般来说一个物态内部的原子或分子在稳定的状态下即受到吸引力又受到互相之间的排斥力。两种力平衡。在这种状态下原子或分子之间的平均距离大致相同。在模型中为了简略起见没有提到排斥力,但假如缺乏排斥力的话,那么原子或分子就会被吸引力加速而更加紧密。由于表面的原子或分子受到的界面对面的排斥力比较小,因此界面的原子或分子之间的距离比内部的原子或分子之间的距离大,这里的原子或分子的密度比较小,相对于物态内部而言其原子或分子的能量比较高,而这个能量的增高就是表面张力的原因。

表面张力是一个内力,即使在平衡的状态下表面张力也存在。比如一个物质的气态和液态同时平衡存在的情况下,则两态之间的边界不变动,也就是说,在界面上垂直于界面的合力為零。

后果[编辑]

表面张力促使液体缩小其表面面积,来减少未满足的化学价。由于球面是同样体积下面积最小的体,因此在没有外力的情况下(比如在失重状态下),液体在平衡状态下总是呈球状。

在液体滴(比如水滴)中,或在液体内的气泡里,由于表面张力界面上的压力比液体内部的压力高。出于同理在肥皂泡内部的压力比外部高。描写这个压力差的公式是杨-拉普拉斯公式

测量[编辑]

使用环、片、张力表或毛细现象可以测量表面张力。

人们也可以对悬着的液滴进行光学分析和测量来确定液体的表面张力系数。

下面列举了一些测量方法:

  • 毛細管上升法:簡單,將毛細管插入液體中即可測量,雖然精確度可能不高。
  • 挂环法:这是测量表面张力的经典方法,它甚至可以在很难浸湿的情况下被使用。用一个初始浸在液体的环从液体中拉出一个液体膜(类似肥皂泡),同时测量提高环的高度时所需要施加的力。
  • 威廉米平板法:这是一种万能的测量方法,尤其适用于长时间测量表面张力。测量的量是一块垂直于液面的平板在浸湿过程中所受的力。
  • 旋转滴法:用来确定界面张力,尤其适应于张力低的或非常低的范围内。测量的值是一个处于比较密集的物态状态下旋转的液滴的直径。
  • 悬滴法:适用于界面张力和表面张力的测量。也可以在非常高的压力和温度下进行测量。测量液滴的几何形状。
  • 最大气泡法:非常适用于测量表面张力随时间的变化。测量气泡最高的压力。
  • 滴体积法:非常适用于动态地测量界面张力。测量的值是一定体积的液体分成的液滴数量。

数值[编辑]

水在20摄氏度时的表面张力系数为73mN/m。以下数据也都是20 °C时的测量数据:

液体 表面张力系数
mN/m
n-戊烷 16.0
n-己烷 18.4
聚四氟乙烯 22.5
乙醇 22.55
甲醇 22.60
丙酮 23.3
28.9
聚乙烯 36.1
聚醚酮 46.0
72.75
476


相对而言水的表面张力相当高,只有汞的表面张力要高得多。水的表面张力随温度T变化的经验近似方程为:

\sigma = 0.07275  \cdot (1-0.002 \cdot (T - 291))

与温度和成分的关系[编辑]

表面活性剂降低表面张力。这个效应可以描写为一个相对于表面张力相反的平行压π。不过π并不是真的压力,它的单位与表面张力相同。

液面附近的空气中的液体蒸汽压已达到饱和,假如有其它蒸汽渗入的话表面张力会改变很大。沒錯

一般表面张力随温度升高而降低。在临界点其值下降到0。描写这个关系的是约特弗斯公式