对于由体相α、β和界面相σ组成的系统,参照无界面相系统导出的方法获得的平衡判据为
可见,平衡时各相的温度相等,每一组分的化学位在各相中相等。但各相的压力则由于体积和面积是否存在关联而有所差别。现采用吉布斯界面模型来讨论这一问题,此时dV(σ)=0,式(9-23)可写成
这就是著名的拉普拉斯(Laplace)方程,它表明半径为r的球体内的压力比球体外高,压差与界面张力成正比,与r成反比。若界面是凹面,则凹面内的压力比外面低。
[例9.2]在外界压力pa=101325 Pa,t=100℃下,水的饱和蒸汽压pS=101325Pa,界面张力σ=58.85×10-3N·m-1,若此时产生的气泡半径r=1×10-8m,问气泡能否逸出?
解:由式(9-26)可得
若将温度提升到276℃,此时水的饱和蒸汽压pS=60.49×106Pa,界面张力σ=28.8×10-3N·m-1,同理计算得
由于pS>p,所以276℃时该尺寸的气泡能逸出。
拉普拉斯方程表明弯曲液面将产生另外的附加压力。正是由于该附加压力的存在,将导致微小液滴的饱和蒸气压与平面液体有所差别,两者间的差别可采用开尔文(Kelvin)方程来表示(www.daowen.com)
式中,pr为密度ρ、半径r、相对分子质量M的微小液滴在温度T时的饱和蒸气压。同时,该式表明液滴半径越小,与之平衡的蒸气压力越大。对于平面液体,r→∞,此时pr等于平面液体的饱和蒸气压pS,即通常所说的饱和蒸气压。如果液滴的曲面是凹面,则液体的饱和蒸气压将下降,式(9-27)仍然适用,但必须在该式右边加上负号。除液滴外,固体或气体的微小颗粒(晶粒或气泡)界面也具有相同的特点。
将一半径为r的毛细管插入到密度为ρl的液体中,若液体能很好润湿毛细管壁,管内的液面呈凹面。由拉普拉斯方程可知,凹液面下方液相压力比同样高度的平面液体中的压力低,故液体将被压入毛细管内,直到管内上升液柱产生的静压(ρ1-ρg)gh与凹液面两侧压力差Δp相等为止,这就是毛细管上升现象,其中上升高度h为
式中,ρg为液体上方的气体密度,θ为接触角。若液体不润湿管壁(θ>90°),则液体将在毛细管中下降,下降深度h可同样用式(9-28)来计算。
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