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表面张力的新视角

以拉脱法获取的” 蒸馏水表面张力系数”目前是各类表面张力仪测量的数据基石, 由于拉脱法与热力学无关, 有理由质疑现有的热力学表面张力数据的客观性. 

  物质表面张力绝对值不可知. 在此前提下, 提出表面张力的热力学定义.

 1.表面张力

  γ=G/As  (1)

  式(1)为物质表面张力的定义式, 它表示系统单位表面积所拥有的Gibbs能. 通常认为系统表面张力与其表面积无关.

一定温度下, 改变分散度. 由式(1)可得:

G=γ▪As

dG=γ▪dAs  (2)

为研究方便, 统一表面张力的量度, 规定25℃, 100kPa时, 蒸馏水的表面张力,

          γ(H2O)=72.14×10-3 N/m.

   

 2.含表面张力的热力学基本方程

   将式(2)代入热力学基本方程可得:

   dG=γ▪dAs=-S▪dT+V▪dp+δW" (3)

   式(3)为含有表面张力的热力学基本方程;恒温恒压下,由式(3)可得:dG=γ▪dAs=δW"

此时“γ▪dAs”即为有效功。

  3.表面张力的影响因素

  3.1 温度的影响

   由式(1)可得:G=γ▪As

   如果保持物质表面积As不变,升高温度,则:dG=As▪dγ=-S▪dT+V▪dp+δW" (4)

   由式(4)可得:-S=(∂G/∂T)p,δW"=0=As▪(∂γ/∂T)p,δW"=0

   整理可得:(∂γ/∂T)p,δW"=0=-S/As (5)

   通常情况下,物质的熵与表面积恒大于0,因此由式(5)可知:在恒压及有效功为0的前提下,升高温度,系统表面张力一定下降。

      3.2 压强的影响

      如果保持物质表面积As不变,增大压强,由式(4)可得:V=(∂G/∂p)T,δW"=0=As▪(∂γ/∂p)T,δW"=0 

  整理可得:(∂γ/∂p)T,δW"=0=V/As (6)

  通常情况下,物质的体积与表面积恒大于0,因此由式(6)可知:在恒温及有效功为0的前提下,增大压强,系统表面张力一定增大。

 3.3 有效功的影响

 

    如果保持物质表面积As不变,有效功增加,由式(4)可得:(∂γ/∂W")T,p=1/As  (7)

  通常情况下,物质的表面积恒大于0,因此在恒温恒压下,增加系统有效功,其表面张力一定增大。

 4.结论

  (1)γ=G/As;

  (2)恒温条件下,dG=γ▪dAs;

  (3)恒温恒压条件下,dG=γ▪dAs=δW";

  (4)温度、压强及有效功是影响物质表面张力的重要因素。

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