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3.2 液体和液体的表面现象 · 教学材料

核心推导与基本概念。唯象理解和进阶讨论见延伸阅读。

一、表面张力

物理来源:分子间作用力不对称

在液体内部,每个分子被周围分子均匀吸引,合力为零。但在表面,分子上半侧的液体分子缺失——受到向内(向体相)的净拉力。表面分子因而具有比体相分子更高的势能。

热力学定义

表面张力 σ 等于单位面积的自由能,也是沿液面切线方向单位长度的收缩力:

σ = (∂F/∂A)T,V

表面张力随温度升高而下降,在临界点 σ → 0——气液界面消失,分子间不再有不对称受力。

二、拉普拉斯压差

表面张力使弯曲液面产生附加压力。对半径为 r 的球形液面:

Δp = p − p = 2σ / r

r 带符号:凸液面(液滴)r > 0,内部压力更大;凹液面(气泡、毛细管内)r < 0,内部压力更小。一般形式:Δp = σ(1/R₁ + 1/R₂)。

物理本质: 这个压差的来源是 σ 和曲率 r,不是"液柱高度"ρgh。高度只不过是测量这个压差的手段(毛细上升),不是压差的原因。

三、润湿与接触角

液体在固体表面的行为由三种界面张力平衡决定——Young 方程:

σsg = σsl + σ cos θ

四、毛细现象

润湿液体(θ < 90°)在细管中上升,不润湿液体(θ > 90°)下降。平衡时:

h = 2σ cos θ / (ρg r)

其中 r 为毛细管半径。这是测量表面张力的常用方法。

五、开尔文方程

物理问题

给定一个半径为 r 的球形液滴(弯曲液面),表面张力系数为 σ,温度为 T。求液面上方的饱和蒸气压 p 与平面液面(r → ∞)的饱和蒸气压 p₀ 之间的关系。

推导逻辑链

弯曲液面 → 拉普拉斯压差 → 化学势随压力变化 → 气液平衡条件 μ_α = μ_β → 开尔文方程。

1. 化学势如何随压力变化

由吉布斯自由能 G = U + PV − TS,经过两次勒让德变换,得到:

(∂μ/∂P)T = Vm

这不是"又一个物性关系"——它是 G 定义附带的结构性结果。G = U+PV−TS 一旦写下,化学势对压力的偏导只能是摩尔体积,没有其他选项。

2. 分别处理液气两相

液相: 几乎不可压缩,v_α ≈ 常数:μ_α(p_α) − μ_α(p_β) = v_α(p_α − p_β)。

气相: 理想气体近似,v_β = RT/p:μ_β(p_β) − μ_β(p₀) = RT ln(p_β/p₀)。

3. 平衡条件

恒温下两相平衡要求化学势相等。液相的化学势对压力极不敏感(v_α 很小),可得近似。代入拉普拉斯压差 p_α − p_β = 2σ/r,最终:

RT ln(p/p₀) = 2σ v_α / r = 2σM / (ρr)

开尔文方程: ln(p/p₀) = 2σM / (ρRT r)

凹液面(毛细上升)r < 0,p < p₀;凸液面(液滴)r > 0,p > p₀。例如:半径为 0.1 μm 的水滴,p/p₀ ≈ 1.01;而 0.01 μm 时 p/p₀ ≈ 1.11。