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湿润和不湿润现象的实验成果《通识物理》

时间:2023-10-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于不湿润现象,一些教师在传统的物理课上经常会举到“水银以球体形态散布于石蜡表面”的例子。其实,除了这个经典但又难以实际观察到的例子,生活中还有很多大家十分熟悉、常见的不湿润现象。

湿润和不湿润现象的实验成果《通识物理》

对液体和空气而言,由于分子间的距离较大,所以在液体内部、空气内部或者气液界面,分子间的相互作用都以引力为主。而水分子间的引力要远大于水与空气分子间的引力,这导致水的表面强烈收缩,从而体现出水的表面张力。这是气液间表面分子相互作用的结果,那么液体和固体界面的分子引力是否也存在类似的博弈呢?两者间的分子引力又会是谁比较占优呢?又会有怎样的固液表面现象呢?

其实,与气体相比,液体和固体都具有更小的分子间距和更大的密度,甚至于有些液体比如水银的密度,已经远远超过很多固体的密度。由此可见,液体和固体分子间的引力大小已经与物态无关,而是主要取决于物质的种类。而不同固液界面上分子引力的差异,又必然导致不同的表面性质和现象。总体来说,固液界面的表面性质主要包括两种类型:

首先,在固液界面上,如果液体分子间的引力较小,而液体与固体分子间的引力较大,液体分子就会不同程度地吸附并展布于固体表面,从而产生“液体湿润固体”的现象,简称“湿润现象”。湿润现象在我们的日常生活中十分常见,比如:我们在饭后洗碗时,无论怎样擦抹、甩干,餐具摸起来总是“润润”的,甚至还会残留一些水滴,这就是水对餐具的湿润现象。如果我们从极限情况来看,当固体对液体分子的引力足够强大时,还可能会出现液体分子完全展布于固体表面的情况,有的甚至能达到单分子膜的级别,这种情况就叫作“完全湿润”现象。当然了,如果两种液体间的分子引力差异也足够大,那么在两种液体相互接触的界面也可能出现“完全湿润”的现象,比如某些油料在水面上可以展布为油的单分子膜。我们在新闻中常常会听到油轮泄漏后,海面会出现几十平方千米的油污带,其实,这正是源于油料对海水的“完全湿润”现象。

其次,与上面的情况刚好相反,如果液体内部的分子引力很大,而固体对液体分子的引力较小,液体就会尽量收缩起来,形成球体,在尽量减小表面积的同时,也减小与固体表面的接触面积,这就是液体对固体的“不湿润现象”。对于不湿润现象,一些教师在传统的物理课上经常会举到“水银以球体形态散布于石蜡表面”的例子。其实,除了这个经典但又难以实际观察到的例子,生活中还有很多大家十分熟悉、常见的不湿润现象。比如,在气温较冷的清晨,水汽会逐渐凝结在荷叶表面形成球形露珠。如图4.2 所示,当风儿推动荷叶轻轻颤动时,调皮的露珠就会纷纷滚落,且不会在荷叶上有任何残留。这个现象说明:水对荷叶表面没有任何“留恋”,其从本质上反映了水与荷叶表面的分子引力极小的事实,因此这个现象就是水对荷叶的不湿润现象。自然界中的不湿润现象给了人类很好的启发,中国在宋代时就有人采用油纸来制作雨伞,雨水一旦掉落到“不湿润”的油性伞纸上,就会像掉落到荷叶上一样快速滑落,所以这种油纸伞不仅能遮风避雨,还不易浸润损坏。到了现代社会,人们更是研制出一些对水表现出不湿润性质的特殊布料,来制作雨伞、防水服、雨棚、野外帐篷等等,在方便人们户外运动的同时,也可以广泛用于一些应急事件和救援。(www.xing528.com)

图4.2 荷叶上的露珠

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