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結合邏輯知識及力的三要素探討表面張力的客觀性
來源：余高奇 瀏覽 2385 次 發(fā)布時間:2023-02-23
力是使物體產(chǎn)生形變或運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因，力的“大小、方向與作用點”合稱力的三要素。一般認為表面張力是由于液體表面層分子與體相分子受力差異所產(chǎn)生的一類使物體表面盡可能收縮的力[1].然而表面張力真的存在嗎？葉片上水滴的凝聚、水面上站立的水黽等事實能證明表面張力的客觀性嗎？表面張力的本質是什么？本文擬結合邏輯知識及力的三要素，進一步探討表面張力的客觀性。
1、表面張力客觀性與循環(huán)論證
葉片上水滴的凝聚、水面上站立的水黽等均是客觀存在
的事實，目前人們選用“表面張力”來解釋這類現(xiàn)象；不能再用這些現(xiàn)象來“循環(huán)論證”表面張力的客觀性.
2、表面張力的三要素
如果表面張力是一種客觀存在的力，就應存在大小、方向及作用點三個力的基本要素.
2.1、表面張力方向與作用點
表面化學認為液體表面某點A的表面張力方向為與液面相切，并與過該點的液體不同區(qū)域的分界線（無數(shù)條）垂直，參見圖1、2.
圖1水平面A點示意圖 圖2 A點表面張力方向
由圖2可見，平面液體A點表面張力方向是從A點發(fā)出的一系列射線，其合力為0.
圖3凸液面表面張力示意圖 圖4凹液面表面張力示意圖
彎曲液面表面張力方向參見圖3、4.
圖3、4中虛線圓周處的紅色小箭頭代表表面張力方向，p0代表大氣壓，ps代表表面張力合力，即：附加壓力。由圖3、4可以看出彎曲液面表面張力的合力（附加壓力）不為0，其方向均指向彎曲液面的曲率中心。
由上分析可知：彎曲液面表面張力方向明確，其合力不為0；平面液體表面張力方向亦明確，其合力為0.
2.2、表面張力的大小
表面張力大小問題，本質就是表面張力測量問題。
現(xiàn)階段液體表面張力測量方法主要包括最大氣泡壓力法、毛細管上升法及拉脫法等；必須指出最大氣泡壓力法、毛細管上升法等所測表面張力數(shù)據(jù)均依托“拉脫法”所獲取的蒸餾水的表面張力系數(shù)。
2.2.1、拉脫法
拉脫法是將一矩形細金屬絲框浸入被測液體內，然后再慢慢將它向上拉出液面，可看到金屬絲帶出一層液膜，參見圖3.
圖3金屬絲框示意圖
金屬絲框受力分析為：F=2γl+mg（1）
式（1）中F為向上拉力，γ為被測液體表面張力，l為細金屬絲框長度,m為金屬絲框質量。
則：γ=（F-mg）/(2l)（2）
熱力學認為該過程可逆表面功為：δW'r=γ?dA=（F-mg）?dx（3）
圖4表面功示意圖
式（3）中增加的表面積dA=2l?dx，dx為金屬絲在外力F作用下移動距離。
代入可得：δW'r=γ?2l?dx=（F-mg）?dx
整理上式同樣可得式（2）。
上述推導，表面上分析拉脫法與熱力學處理結果一致,似乎拉脫法與熱力學實現(xiàn)了完美結合.事實并不是如此。拉脫法測量表面張力時，外力F需逐漸增大，直至液膜破裂，用式（2）計算時，取液膜破裂一瞬間最大的拉力Fmax，這顯然與式（3）要求外力F必須保持恒定不一致，表明拉脫法與熱力學無關，拉脫法所測蒸餾水的表面張力系數(shù)與熱力學并不相干。
需要指出拉脫法所測表面張力，即“使物體表面盡可能收縮的力”，本質為一種應力。
最大氣泡壓力法或毛細管上升法所測表面張力屬于熱力學表面張力，測量利用的是熱力學原理。
為測量方便及習慣,規(guī)定γ（蒸餾水，298.15K，100kPa）=71.97×10-3N/m.在此前提下用最大氣泡壓力法或毛細管上升法所測液體表面張力數(shù)值均為相對值。
2.3、表面張力本質設想
筆者提出表面張力的熱力學新定義如下：
表面張力γ為單位表面積的物體所有的吉布斯自由能G，即：γ=G/As（4）
式（4）中γ為物體的表面張力，單位為N/m；G為物體的吉布斯自由能，其絕對值不可知，單位為kJ/mol；As為物體的表面積，單位為m2.
2.4含有表面張力的熱力學基本方程
dG=γ?dAs=-S?dT+V?dp+δW'（5）
將G=H-TS；A=G-pV；U=H-pV分別代入式（5）分別可得：
dA=-S?dT-p?dV+δW'（6）
dH=T?dS+V?dp+δW'（7）
dU=T?dS-p?dV+δW'（8）
則：式（5）、（6）、（7）及（8）為含有表面張力的熱力學基本方程。
恒溫、恒壓下，dG=γ?dAs=δW'（9）
將式（9）依次代入式（6）、（7）、（8）可得：
dA=-p?dV+γ?dAs（10）
dH=T?dS+γ?dAs（11）
dU=T?dS-p?dV+γ?dAs（12）
則：式（9）、（10）、（11）、（12）稱為恒溫恒壓下，含有表面張力的熱力學基本方程。
3、結論
[1]拉脫法與熱力學無關；拉脫法所測表面張力，與熱力學方法所測表面張力類型不相同；
[2]熱力學表面張力新定義為：單位表面積物體所擁有的吉布斯自由能，即：γ=G/As；
[3]規(guī)定γ（蒸餾水，298.15K，100kPa）=71.97×10-3N/m.
[4]dG=γ?dAs=-S?dT+V?dp+δW'.
參考文獻
[1]天津大學物理化學教研室編.王正烈,周亞平,李松林,劉俊吉修訂.物理化學（下冊）,第四版.北京：高等教育出版社,2001,12:350