力(li)是(shi)使物體產生(sheng)形變(bian)或運動狀態發(fa)生(sheng)改變(bian)的(de)原因(yin)，力(li)的(de)“大小、方(fang)向與(yu)作用點”合稱力(li)的(de)三要素。一(yi)般(ban)認為表面張力(li)(li)是由于(yu)液(ye)體表面層分子與體相(xiang)分子受力(li)(li)差異所產生的(de)一(yi)類使物體表面盡可能收(shou)縮的(de)力(li)(li)[1].然而表面(mian)張力(li)真的(de)(de)(de)存在嗎？葉片上水(shui)滴(di)的(de)(de)(de)凝聚(ju)、水(shui)面(mian)上站(zhan)立的(de)(de)(de)水(shui)黽等事實能證(zheng)明表面(mian)張力(li)的(de)(de)(de)客觀性嗎？表面(mian)張力(li)的(de)(de)(de)本(ben)質是什么？本文(wen)擬結合邏輯知識(shi)及力(li)的三要素(su)，進一步探討(tao)表面張力(li)的客觀性。

1、表面張力客觀性與循環論證

葉(xie)片上(shang)水(shui)滴的(de)凝(ning)聚(ju)、水(shui)面上(shang)站(zhan)立的(de)水(shui)黽等均是客觀存在

 的(de)事實，目(mu)前人(ren)們選用(yong)“表面張力”來解(jie)釋這(zhe)類現象(xiang)；不能再用(yong)這(zhe)些現象(xiang)來“循環論證”表面張力的(de)客(ke)觀(guan)性.

2、表面張力的三要素

如果表(biao)面張力(li)(li)是一種客觀存在(zai)的(de)力(li)(li)，就(jiu)應存在(zai)大小(xiao)、方向及(ji)作(zuo)用點(dian)三個力(li)(li)的(de)基本要素(su).

2.1、表面張力方向與作用點

表面(mian)(mian)(mian)化學(xue)認為液(ye)體表面(mian)(mian)(mian)某點A的表面(mian)(mian)(mian)張力方向為與(yu)液(ye)面(mian)(mian)(mian)相切，并與(yu)過(guo)該點的液(ye)體不同區域的分界線（無數條）垂直，參見圖1、2.

圖(tu)1水平(ping)面A點示意圖(tu)   圖(tu)2 A點表面張(zhang)力方向

由(you)圖2可見(jian)，平面液體A點(dian)表面張力(li)(li)方向是從A點(dian)發出的一系列射線，其(qi)合(he)力(li)(li)為0.

圖3凸(tu)液(ye)面(mian)表面(mian)張力(li)示意圖   圖4凹液(ye)面(mian)表面(mian)張力(li)示意圖

彎曲液面(mian)表面(mian)張力方向參見圖(tu)3、4.

圖3、4中(zhong)虛線圓(yuan)周(zhou)處的(de)紅色小箭頭代(dai)表(biao)表(biao)面張(zhang)力(li)(li)方向(xiang)，p0代(dai)表(biao)大(da)氣壓(ya)，ps代(dai)表(biao)表(biao)面張(zhang)力(li)(li)合(he)力(li)(li)，即：附加壓(ya)力(li)(li)。由圖3、4可以看出彎曲液(ye)面表(biao)面張(zhang)力(li)(li)的(de)合(he)力(li)(li)（附加壓(ya)力(li)(li)）不為0，其方向(xiang)均指向(xiang)彎曲液(ye)面的(de)曲率中(zhong)心。

由上分析可知(zhi)：彎曲液(ye)面表(biao)面張力(li)方向明(ming)確，其合力(li)不(bu)為0；平面液(ye)體表(biao)面張力(li)方向亦明(ming)確，其合力(li)為0.

2.2、表面張力的大小

表面張(zhang)力(li)大小問題，本質就是(shi)表面張(zhang)力(li)測量問題。

現階段液(ye)體表面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)測量方法(fa)主要包括(kuo)最(zui)大(da)氣泡壓力(li)法(fa)、毛細管(guan)上升(sheng)法(fa)及(ji)拉脫法(fa)等(deng)；必須指出(chu)最(zui)大(da)氣泡壓力(li)法(fa)、毛細管(guan)上升(sheng)法(fa)等(deng)所測表面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)數據均依托“拉脫法(fa)”所獲取的蒸(zheng)餾水(shui)的表面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)系數。

2.2.1、拉脫法

拉脫法是將一矩形細金屬絲(si)框(kuang)浸入被(bei)測液(ye)體內，然后(hou)再慢慢將它向上拉出(chu)液(ye)面，可看到金屬絲(si)帶出(chu)一層液(ye)膜(mo)，參見圖3.

圖3金(jin)屬絲(si)框(kuang)示(shi)意圖

金屬絲框受力分析(xi)為：F=2γl+mg（1）

式（1）中(zhong)F為(wei)(wei)向(xiang)上拉力，γ為(wei)(wei)被測液(ye)體(ti)表面張力，l為(wei)(wei)細(xi)金(jin)屬(shu)絲框長度,m為(wei)(wei)金(jin)屬(shu)絲框質(zhi)量(liang)。

則：γ=（F-mg）/(2l)（2）

熱力學認為(wei)該過(guo)程可(ke)逆(ni)表面功為(wei)：δW'r=γ?dA=（F-mg）?dx（3）

圖(tu)(tu)4表面功示意圖(tu)(tu)

式（3）中增加的表(biao)面積dA=2l?dx，dx為金(jin)屬絲(si)在外力F作用(yong)下移動距離。

代(dai)入可得：δW'r=γ?2l?dx=（F-mg）?dx

整理上式同樣可得(de)式（2）。

上述推導，表(biao)面上分析(xi)拉(la)脫(tuo)(tuo)法(fa)與(yu)(yu)熱(re)力(li)(li)學(xue)處理(li)結果一(yi)致,似乎拉(la)脫(tuo)(tuo)法(fa)與(yu)(yu)熱(re)力(li)(li)學(xue)實現了完美結合.事實并(bing)不(bu)是(shi)如此(ci)。拉(la)脫(tuo)(tuo)法(fa)測(ce)(ce)量表(biao)面張力(li)(li)時，外(wai)力(li)(li)F需逐漸增大(da)，直至液(ye)膜破裂(lie)，用(yong)式（2）計(ji)算時，取液(ye)膜破裂(lie)一(yi)瞬間(jian)最大(da)的拉(la)力(li)(li)Fmax，這顯然與(yu)(yu)式（3）要(yao)求(qiu)外(wai)力(li)(li)F必須保持(chi)恒定(ding)不(bu)一(yi)致，表(biao)明拉(la)脫(tuo)(tuo)法(fa)與(yu)(yu)熱(re)力(li)(li)學(xue)無關，拉(la)脫(tuo)(tuo)法(fa)所測(ce)(ce)蒸餾水的表(biao)面張力(li)(li)系數與(yu)(yu)熱(re)力(li)(li)學(xue)并(bing)不(bu)相干。

需(xu)要指出拉脫法(fa)所測表(biao)面張力，即“使物(wu)體表(biao)面盡可(ke)能收(shou)縮的(de)力”，本質(zhi)為一種應力。

最大氣泡壓(ya)力法(fa)或毛(mao)細管上升法(fa)所測表(biao)面張(zhang)力屬于熱力學表(biao)面張(zhang)力，測量利用(yong)的是熱力學原理。

為測量方便及習慣(guan),規定γ（蒸餾水(shui)，298.15K，100kPa）=71.97×10-3N/m.在此前(qian)提下(xia)用最大氣(qi)泡壓力法或毛細管上升法所測液體表(biao)面張力數值均(jun)為相對值。

2.3、表面張力本質設想

筆者提(ti)出表面(mian)張(zhang)力的熱(re)力學新定義(yi)如下(xia)：

 表面張力γ為單位表面積的(de)(de)物體所有的(de)(de)吉(ji)布斯(si)自由能G，即：γ=G/As（4）

式(shi)（4）中(zhong)γ為物體的表面(mian)張力，單(dan)位(wei)(wei)為N/m；G為物體的吉布斯自由(you)能，其絕(jue)對值不可知，單(dan)位(wei)(wei)為kJ/mol；As為物體的表面(mian)積，單(dan)位(wei)(wei)為m2.

2.4含(han)有表面張力的熱力學基本方(fang)程

dG=γ?dAs=-S?dT+V?dp+δW'（5）

將G=H-TS；A=G-pV；U=H-pV分別(bie)(bie)代入式（5）分別(bie)(bie)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(han)有表(biao)面張力(li)的熱力(li)學基(ji)本方(fang)程。

恒溫(wen)、恒壓(ya)下，dG=γ?dAs=δW'（9）

將式（9）依(yi)次(ci)代(dai)入式（6）、（7）、（8）可得(de)：

dA=-p?dV+γ?dAs（10）

dH=T?dS+γ?dAs（11）

dU=T?dS-p?dV+γ?dAs（12）

則：式(shi)（9）、（10）、（11）、（12）稱為恒(heng)溫恒(heng)壓下，含有表面(mian)張力(li)的熱力(li)學基本方程(cheng)。

3、結論

[1]拉脫(tuo)法(fa)與熱(re)力學(xue)無關；拉脫(tuo)法(fa)所(suo)測表面張力，與熱(re)力學(xue)方法(fa)所(suo)測表面張力類(lei)型不相(xiang)同；

[2]熱力學表(biao)面(mian)張力新定義為：單(dan)位表(biao)面(mian)積物(wu)體所擁有的吉布斯自由能，即：γ=G/As；

[3]規定γ（蒸餾(liu)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(yan)室編.王(wang)正烈,周(zhou)亞平,李松林(lin),劉俊吉修訂.物理化學（下冊）,第(di)四版(ban)(ban).北京(jing)：高等教育出版(ban)(ban)社,2001,12:350