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文档简介
关于肥皂泡破裂能量损失去向的猜想 背景介绍 表面能 物质的表面具有表面张力 在恒温恒压下可逆地增大表面积ds 需要做功 da 所需的功等于物质自由能的增加 称之为表面自由能或表面能 单位面积的表面能的数值和表面张力相同 但两者物理意义不同 例 东西放的时间长了 会发现有灰尘附着 因为灰尘的附着降低了物体的表面积 从而也降低了物体的表面能 物质的能量都有自动趋向降低 保持稳定的特点 简单分析 每一个肥皂泡只是一个薄薄的水壳 里面是空气 同它所含的水量相比 这是一个相当大的表面 实际是两个表面 一个内表面 一个外表面 水 空界面的表面积为 8 而肥皂水的体积只有 4 e 式中e和 分别表示气泡的厚度和半径 气泡通常为厘米级大小 而其彩虹般的外表说明肥皂泡的厚度只为可见光波长级 事实上 e的典型值为一微米 一个肥皂泡的表面积对体积的比值 称为比面系数 可写成 2 e约为10 16每米 这个值相当大 为了说明这一点 我们把它同具有同样半径的球形液滴相比较 3 两比面系数比值为 2 3e 数量级为10 000 内空气泡的比面系数同全满液滴的表面系数相比大了4个数量级 这说明气泡是个表面问题 实质是个表面能问题 如果气泡破裂缩成一个液滴 由体积守恒给出 半径r e 2 3 表面能之比为 ER Er 8 4 r r e 2 3 这个比值的数量级为10 6 我们可以近似地认为 肥皂泡破裂时相当于膜将表面能全部转化为 环状隆起的 动能 8 M v v 2 解得 v 2 e 1 2 对于e 1 m有v 10m s 速度相当大 大胆猜想 肥皂泡破裂时表面能的绝大部分转化为动能 使得水滴获得很大的速度 由于每个肥皂泡的表面积相对与它的质量非常大 即 肥皂泡中水分子是相当分散的均匀分布于整个环状结构上 由于受到重力 大气压力和水分蒸发的缘故 肥皂泡会破裂 当肥皂泡破裂时 分布于整个环状结构上的水分子最终会聚成水滴 当水滴中分子间距比肥皂泡中分子间距大很多时 聚集时克服的分子间作用力所做的功就不能忽略了 而所需要的这部分力很可能就来自于表面能 另外 由于水的比热很大 水蒸发时还会带走相当一部分热量 我们猜想这部分能量也来自于表面能 虽然至今还没有具体的实验证明这一猜想 但是我希望能为这一问题的解决作出努力 在我们生活的地球上 70 的地方被水覆盖着 水资源的丰富对于应对即将来临的世界能
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