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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 2626 次 發布時間:2023-02-23
力是使物體產生形變或運動狀態發生改變的原因，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”來解釋這類現象；不能再用這些現象來“循環論證”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域的分界線（無數條）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據均依托“拉脫法”所獲取的蒸餾水的表面張力系數。
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