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表麵張力再思考
來源:李傳亮 瀏覽 556 次 發布時間:2022-08-16
科學是思想的產物,對科學問題多思考一下沒壞處。表麵張力,也叫表麵自由能,教材上的解釋是,液體內部的分子受力平衡,而位於界麵上的分子受力不平衡,當把液體分子A從內部移動到界麵時需要做功,因此,界麵上的分子比內部的分子能量多,多餘的能量就是表麵自由能。
液體不能單獨存在,上麵還會有氣體,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。若把液體內部的分子A移動到界麵需要做功,那麽,把氣體內部的分子B移動到邊界也需要做功嗎?把界麵上的分子移動到液體內部就不需要做功嗎?
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。根據下圖右側的能量曲線,界麵上的分子並沒有多餘的能量,隻是介於氣液能量之間,怎麽能說界麵上有多餘的能量呢?
界麵張力或表麵張力,從受力分析上可能更容易理解。鬆弛狀態下的界麵不受力,界麵張力為0,界麵受到拉伸時界麵張力增大。也就是說,界麵張力不是常數,而是一個變量,就像彈簧的受力狀態一樣。受力後分子間距增大,儲集了一部分彈性能。分子間的吸引力越大,界麵張力肯定也就越大。
在水中加入表麵活性劑為何會降低界麵張力?水分子屬於極性物質,靠氫鍵凝聚在一起。表麵活性劑為兩性分子,一端為極性端,另一端為非極性端。加入水中的表麵活性劑分子會聚集在界麵上定向排列,極性端伸入水中,非極性端伸入氣中。非極性端占據了一部分界麵麵積,致使界麵上分子間的吸引力減弱,從而降低了界麵張力。這種情況下界麵受到的拉伸作用不是很強,水驅油過程就是如此。
但是,當界麵受到強大的拉伸作用被拉成薄膜甚至是單分子層時,界麵上的分子排列方式也發生了變化,大分子順層排列,增強了界麵的強度,也提高了界麵張力的數值,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。