润湿现象的解释

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 第卷 增刊重庆师范学院学报自然科 学版年月 润湿现象的解释 刘成 有 广东省茂名教育学院物理 系 茂名 摘要通过分子 间力的相互作用 导出了附着力和内聚力的 大小 并 定 性 定解释了润湿现 象 若与其他现象一起 可望成为检验分 子力公式 的正确性的依据 关键词润湿现象 附着力内聚力 中图分类号 润湿现象的定性解释 润湿现 象 将一滴水落在干净的玻璃板上 则水会在板 面上展 开 附着在板面上将一滴水银滴在锌 板上 则水银会在板面上展开 附着在板面上 如 图所示 这 种 液体 落在固体表面上 液 体会展开来 附着在上面的现象 通常称作液体润湿固体 如水润湿玻璃 水 银润湿锌板等 但 若将一滴 水落在荷 叶上 它总是近似呈椭球形 且能在荷 叶上滚动而不附着在上面 玻璃板上 放一小滴水银 它总是近似呈球形 且能在玻璃上滚动而不附着在上 面 如图所示 这种 液体能在固体表面上滚动而不附着 在上 面 的现象 通常称作液体不 润湿固体 如水不 润 湿荷 叶 水银不润湿玻璃等 液体润湿 与不润湿 固体 统称 为润湿现象 显然 润湿现象是液体和 固体接触处的表面现 象 对 同一种液体能润湿某些固体 但对另一固体则不能润湿 润湿现 象的能观点 我们知 道 物质是 由分子组 成 的 分子 之 间存在 相互 的作用力 物体间相互作用 的表面现象显然与 分子间相互作用 的力 有关 所以湿 润与不润 湿则 由 固体分子与液体分子 间 的相互作用力又称 附着力 与液体分子 间的相互吸引力又称 内聚力间的力 量 对比不 同所 引起 的 在 液体与 固体接触处 沿固体壁 有一层液体 层 内的液体分 子 有 别于其 它 分 子 我们 称之为附着层 其厚 度等于液体分子 间 引力 的有效 水 板 曰卜 哪不李 钟握才 万月 水银 哑德翻 曰 图 水阴一一小 和 作用距离或液体分子与固体分子间引力 的有效作用距离取较大者 只有层 内液体分子才受 到接触面的影 响 对 附着层 中任一分子 在 内聚力大于附着力 的情况下 如图 分子受到的合力尹垂 直于附着层 但指 向液体内部 这 时 要将一个分子从液体内部移到附着层 必须反抗尹作 功 结 果使附着层 中势能增 大 但势能总有减小的倾向 因此 附着层就有缩小的趋势 从而使 液体不能润湿 固体 反之 在 附着力大于 内聚力的情况下 如图 分子所受的合力尹垂直 于附着层 但 指 向固体 这 时 分子在 附着层内比在液体 内部具有较小 的势能 液体分子要尽 收稿日期 一一 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 重庆 师范学院学报自然科学版第卷 量挤人 附着层 结果使附着层扩展 从而使液体润湿 固体 固 体纂寡葛霆 一 一一 一一一 一一 附 二 石 尸尸一了 尸 群仁扛二若可任石 图 润湿现象的定解释 分子力的半经验公式 分子 由原子组成 而原子又由带正 电的原子核和绕核运 动 的带 负 电的电子组成 绕核运 动的电子在核外形成 电子云 因而 物体分子之间既存在静引 电力 包括 引力和斥力和运动 电荷间的磁力 又存在万有引力 所以分子之间相互作用 的规律是很复杂的 一般无法 由实验 直接测定 也很难从理论上用 简单的数学式子表达出来 通常在实验的基础 上用一些简化 的 模型来处理 假设分子 之间的相互作用力具有球对称性 则可用半经验公式川 尹一奥一黝矛 近似地表示两个分子之间的相互作用力 式中为两分子 中心间 的距 离 都是正 数 其值需 由实验确定 对于不同的分子都有而 则在之间 附普层中液体分子 受到的附着力 在附着层 内 取液 面与固体交界处某分子为对象 以为坐标原点建立球坐标 系 则 固 体内距分子 为处 的分子对分子的作用力为 资 附 一 甲丁一 丁夕 设固体分子的密度 为即单位体积的分子数 则 固体 内距分子 为处的小体元 尸 沪内的分 子对分子 的作用力 为 水 附 一丁 一 一丁 一 口 甲 亡 夕 所有固体分子对分子 的作用力 的合力 即为分子受到 的附着力 附 即 图 一 丁 升 一 笋 一 为方便求解 以 方 向的分量为 扬 为坐标原点建立直角坐标系如图所示 根据力矢量的分解方法 尹 附 在 二 一 护 粤一粤 二 一 一 六 一六 已 一 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 增刊 刘成有 润湿现象的解释 儿汀 万派二万 一 不不 李 沪梦 可 卫匹 一三匕一 一 犷 一 代 一 沪沪 上式 中 为分子力 的作用半径 同理 尹 附 在方 向的分量为 一 典一典 二 一 少 润 琴帐二 二 万 犷一 丁二了 沪中 譬吃是 万 犷 二 六 犷 一 不不 犷 华百 一百 一 亡 犷 尹 附 在 二 方 向的分量为 翔 一 可 丁 典一粤 不三牛才 一 百一 一 丁 龟 产 卜 六 州六 犷 一 召声 一 李 一 乙 附粉层中液体分子受到的内聚力 同样 在 附着层内 取液 面与固体交界 处 的某分子为对 象 以 为坐标原点建立球坐标 系 设 液体分子 的密度为 则液体内距分子 为 二 处 的小体元 一 二 沪 内 的分子对 泛分子的作用力 为 内 所有 液体分子对 聚力 内 即 冬 一 粤 矛 分 子 的作用 力 的合力即为分子受到 的内 一 儿 一 一 一 口 犷 甲 少 扩 一 建立 图所示的直角坐标 系 则根 据力矢量的分解方法 得 了 内 在方向的分量为 图 内二 一 一 二 一 粤一导 一 声 己 粤一粤 丁 直 了 声 甲 二 二一 六 一 一 合 一 一 同理 内 在方向的分量为 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 重庆师范学院学报自然科学版 第卷 一 二 一 丫 一 一兀了 一 甲 口 一 产 产 了了 了矛百 气 月 产 沪 夕 气二 一 丁乙 乙住 亡 万 一 姚 一 丁二 了 一了二 了 一 晋一 荞 六 了 一 一 尚 心 一 翻六 一荞 粉 一 内 在方 向的分量为 几一丁 丁 一 丁 升 一 务 丁 丁 一 丁 务 一 笋 知 六 尸一 合 尸 一 川护 代 不 一 一 乙 一 一 戈丁二 一百二几 二 一丁 气百二 一百 二 液体分子受到的附着力与 内聚力的比较 由 一 六式可以看 到 液体 分子受到 的附着只有沿 夕 方向的分 量 沿方 向 方向的分量均为零 而液体分子受到的内聚力则有沿方向和沿 之 方 向的分 量 沿方向的分量 为零 如图所示 所以 液体的形状 完全取决于 扬 内 内 的大小 润湿 与否取决于扬 与 内 的大小 当 附 内 即满足 八 二 八 兀 二一 一 二 一 二 一 二卜 二 暇不一一一矛 一 只一节 一 时 液体润湿 固体 因为 当扬 几 时 液体分子必向固体方 向挤 压 由于液体的不可压缩性和流动性特点 液体只好沿交界面处 附着 固体扩展 直至处于平衡 为止 从而使液体润湿 固体 反之 当 附 内 时 附着层 内的液体分 子受 一指向液体 内部的合 力作 用 分子 必 向液体 内部挤压 受 液体本身特 性 的制 约 只好 改 变液面 接触面 的形状 使分子重新处于平衡 从而使液体不润湿固体 结语 图 润湿现象是 固体和液体接触处 的表面现象 产生这种 现象的原因 主要 是 由它们本 身的性 质 来决定的 附着层 内液体分子所 受 的附着力和内聚力 均与待定 常数 有 关 对于某种物质 它们有确定 的值 知道了这些确定 的值 则可由式判断液体与固体是 否润湿反过来 根据液体与固体的润湿情况 再考 虑一些与待定 常数有关的热学 现象的实验 结果 则 可检验分子力公式的正确与否 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 增刊刘成有润湿现 象 的解释 参 考文 献 李椿等热学北京高等教育出版社 黄淑清热学教程北京高等教育出版社 亏 责任编辑许文昌 司卜闷加叫 卜闷司卜二川卜一月卜月闷 卜月卜 川闷川阅卜月卜闷月卜 加月 二门卜叨闷卜川月卜二月卜中月卜二卜月卜闷月卜月门卜二阅卜