淺析《熱學》中的液體表面層中的分子特點及表面張力

韓文娟+強睿

摘 要：分析液體表面層中的分子特點，從分子力、分子勢能、分子數密度三個角度解釋表面張力，使抽象的知識點簡化、形象化，可使學生深入理解液體表面層的分子特點及表面張力實質從而深化教學。

關鍵詞：《熱學》 分子特點 表面張力

中圖分類號：O552.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）10-0-01

在《熱學》實際教學中，學生不太理解液體表面層的分子特點，對表面張力的實質認識不清，原因是此知識點本身就較為抽象、難于形象講解形成了學生理解上的障礙。本文分析液體表面層中的分子特點，從分子力、分子勢能、分子數密度三個角度解釋表面張力，可使學生深入理解液體表面層的分子特點及表面張力實質，這對《熱學》教學很有幫助。

一、相關概念

1.界面[1]

一種物質與另一種物質（或雖是同一種物質，但其微觀結構不同）的交界處，是物質結構的過渡層。界面不是幾何學上抽象的平面或曲面，而是具有一定厚度，一般為幾個或十幾個原子的線度。表面層是液體與氣體的交界，是液體表面的過渡區域 。

2.表面張力[2]

表面張力是作用于液體表面上的使液面具有收縮傾向的一種力。微觀上是由于液體表面層內分子力作用的結果。

二、分析表面層中的分子特點

1.液體表面層中分子受到的引力指向液內[3]

把分子引力開始有明顯作用的范圍叫做分子作用球（為圖一、二中的藍色球體），它約為液體分子間距離（約10-10米）的幾倍。圖二中，起初分子將完全不會受到液體的作用力，c點開始受到指向液體的引力，隨著向液面接近，引力將急劇增大，e點最大，液體深入液體內部時，逐漸出現相反方向的引力，而合引力急劇減小，分子更深入液體，離開液面的距離大于分子作用半徑，分子受到周圍分子的合引力為零。分子在表面層中受到其他分子施與的指向液體內的引力，而在表面層之外的液體中，分子受到平衡的引力作用，就是這個表面層分子所受的指向液體內的引力產生了表面張力。

2.液體表面層中的分子具有大于液體內部分子的勢能

表面層中的分子受到指向液體內的引力（合引力指向液體內部）將表面層的分子移到液體內部時，合引力指向液體內部，移動方向與力方向相同，合引力作正功，勢能減少，所以表面層中的分子具有比液體內部分子具有更大的引力勢能。

3.表面層中的分子數密度小于液體內部

表面層內分子的引力勢能較液體內部大，表面層內分子的平均距離比液體內部大（無窮遠處為勢能零點，分子的引力勢能為負）。可見表面層內分子的平均距離比液體內部大，表面層內分子的排列比內部疏松（越靠表面，排列越疏松）分子數密度越小。

三、從分子力、分子勢能、分子數密度三個方面討論表面張力的本質

1.從分子力角度

液體表面層中分子受到的引力指向液內，根據力學原理，在此引力下，分子會有走向液體內部的驅動，液體表面層中分子對要移動的分子體現了依依不舍的“拉力”，液體表面因而就有收縮的趨勢，賦予了液體表面以不同于液體內部的性質，產生表面張力。

2.前已述及，液體表面層中的分子具有大于液體內部分子的勢能

表面越大，表面層中的分子數就越多，整個表面層的勢能就越大。處于保守力場作用下的物質系統如果無其他外力作用，勢能趨于最小值。液體表面因而就有收縮的趨勢，從而說明了表面張力的產生。

3.表面層中的分子數密度角度

表面層內分子的引力勢能較液體內部大，可見表面層內分子的平均距離比液體內部大，從分子力角度分析知道在此引力下，分子會有走向液體內部的驅動，表面層中的分子數密度小于液體內部，說明表面層內分子的排列較液體內部疏松（而且越靠表面，排列越疏松），分子數密度較小，表面層中的分子間的吸引力要明顯大于液體內部，這就是表面張力產生的機理。

通過討論，使抽象的知識點簡化、形象化，讓學生更好理解液體表面層的分子特點和表面張力的實質，對《熱學》教學很有幫助。

參考文獻

[1]李椿，章立源，錢尚武.熱學[M].第二版，北京：人民教育出社，2010.244-258.

[2] 趙凱華.熱學[M].第二版，北京：高等教育出版社，2005.212-225.

[3] 秦允豪.熱學[M].第三版，北京：高等教育出版社，2004.243-251.

作者簡介：韓文娟，（1975-），女，漢，河北保定，教授，碩士，主要從事量子多體理論的研究。endprint