液体表面张力产生机理及方向分析

中国石油和化工与质量技术研究 73 www.chemstandard.com.cn/ 第 5期 的表面自由能的等效量。我们可以举一个小 小的实例进行分析：在一个金属环上放置一 根细线，把金属环连同细线放入肥皂液中， 取出后形成液膜，环线保持原来的随机形状， 若将环线中的液膜刺破，环线立即张紧形成 圆形。 在上述的实例中，细线中液膜刺破后， 细线是在真实的指向四周的力的拉动下张紧 而形成圆形。这个简单的实例便说明了表面 张力的存在，若否定表面张力，液膜的体系 中力的平衡将无法解释，所以我们可以肯定 得出表面张力存在。 2.2 能的角度分析表面张力机理 根据分子间作用力的特点，当分子间距 小于平衡间距，斥力大于引力，合力为斥力； 当分子间距大于平衡间距，斥力小于引力， 合力为引力，并且随着间距的拉大吸引力先 增大后减小； 如图 1，液体内部分子 A若向 表面运动，必须克服1、2分子的斥力和3、4、 5分子的引力，用势能的概念来说明 ，就是 处在图 2a 左边的势阱中，需要大小为 的能 力才能越过势垒，迁徙到表面上去。然而表 面分子 B要想挤向液体内部只需克服 6、7分 子的斥力和 8、9分子的吸引力即可，在 B分 子的后面没有其他分子吸引它，所以它的势 阱如图 2a 右侧，势阱较浅，只要较小的能量 就可越过势垒，进入液体的内部。 图 1 图 2 这样一来，由于表面分子向内扩散比 液体表面张力产生机理及方向分析 张 晋 杨 亮 张 毅 王春磊 中国石油大学石油学院 北京 102200 【摘要】针对表面张力产生机理，从能和力两个角度在微观分子的尺度上综合分析了液体表面张力产生的原因，又用到统计力学 进行旁证，较好的解释了表面张力产生的机理，在此基础上对表面张力的方向进行探讨，否定了表面张力垂直于界面的说法，得 出表面张力一定与界面相切。 【关键词】表面张力 机理 能和力 方向性 1 概述 表面现象广泛存在于我们的生活中，我 们在处理一些问的时候，表面现象不可忽 略，因此表面张力的研究非常重要。从历史 的发展来看，表面张力概念的建立比表面自 由能的概念要早一个世纪，表面张力的概念 源于毛细现象，而表面自由能是 19 世纪末至 20 世纪初 Gibbs 从热力学的角度得出的微观 解释。在 20 世纪 30 至 50 年代，由于表面张 力的机理未能有满意的解释，Laplace 等权 威专家开始怀疑表面张力的存在性，Adam 甚 至指出表面张力的概念“既不正确，也无必 要”。如何对表面张力做一个合理而正确的 微观解释在学术界有过很多的讨论，Bakker 等都提出相关的说法，但是至今也没有一个 在学术界统一的解释。由于大部分《物理化 学》教材上对于表面张力的解释都过于简化， 本文将综合能与力的角度做一个较为全面的 解释，分析液体表面张力产生的机理。 由于表面张力机理理解不一致，在各个 专著与教材上关于表面张力的方向也是众说 纷纭，关振民编写的《物理化学》上规定， 在液体表面的边界上表面张力垂直于边界线 指向中心并与表面相切；对于弯曲表面，表 面张力的方向与液面的切线相垂直。在刘志 明等编写的《应用物理化学》中规定若液体 呈平液面，表面张力的作用点在平液面上， 作用方向固定，总是垂直于平液面；若液体 呈弯液面，表面张力的作用点在凹或凸液面 的切面上，作用方向总是垂直于切面上。而 在张树德《如何理解表面张力》中却规定表 面张力是跟液体表面共面或相切的。各种说 法之间是互相矛盾的，表面张力的方向到底 是如何，本文将逐一分析，给出一个令人满 意的方向性分析。 2 液体表面张力产生的机理分析 2.1 表面张力的存在性 Laplace 等把表面张力说成是虚构而不 具物理真实性，认为只是为了应用方便引入 内部分子向表面扩散容易表面分子会变得稀 疏，结果是它们之间的距离比平衡位置的距 离稍微大一些，相互之间的合力将会是吸引 力。于是，B 分子需克服分子 8、9 的吸引力 比刚才大，从而势阱变深了，直到 与 相等， 内外扩散达到动态平衡，即如图 2b 中所示。 所以在平衡状态之下，表面上的分子比液体 内的分子稀疏，分子间距比平衡间距大，分 子间存在切向上的吸引力，这便是表面张力 的由来。 2.3 力的角度分析表面张力的机理 国内大多数《物理化学》教材上对于表 面张力机理的解释是处在表面上的液相分子 受力和内部分子不同，表面上的分子受力不 均衡，有一个向下的合力，称之为净吸力， 由于这个净吸力的存在，表面上的分子有一 个向下运动的趋势，从而使表面上的分子稀 薄，分子间产生引力，从而产生表面张力。 上述的分析只是一个静态的，而分子是 处在一个永不停息的运动过程中的，上述的 平衡会是一个动态的平衡，表面分子有向液 相运动的趋势，在统计上表现出表面分子比 液相稀薄。另一方面，因为在太空的无重力 真空环境中，液体金属还是会凝聚成一个球 体，这时候周围是没有空气引力的，而表面 张力依然存在，所以在分析表面张力的时候 可以忽略气相的存在。在分子的大量的无规 则运动的时候，一部分分子在运动过程中其 动能可能足以克服液相分子引力而逃逸出界 面，而此时气相分子对界面分子斥力非常小， 可以忽略气相，所以这部分分子成功进入气 相，这种逃逸的能力往往和所处的状态和物 质的性质有关，例如温度若是越大，分子的 运动将越剧烈，分子逃逸的可能性将增大。 这样，在一个动态的过程中，一部分分子向 液相内部运动，一部分分子逃逸出界面，最 终导致表面上分子的密度比液相小，分子间 距增大，分子间呈现吸引的趋势，进而宏观 表现为表面张力。 中国石油和化工标准与质量技术研究 74 www.chemstandard.com.cn/ 第 5期 2.4 统计力学方法的旁证 Prigogine 和 Saraga 用统计力学的方 法计算表面热力学函数，设想表面是由分子 和空位组成。对于 85K 时的氩，设表面上有 30% 的空位，计算出的表面张力、总表面能 及表面熵值与实验值一致性很好（如表 1）， 这就说明了此时分子间的距离平均增加了约 20%，很好地证明了表面上分子间距比内相分 子间距要大。 3 表面张力方向性分析 国外大部分《physical chemistry》教 材是从能的角度来定义 surface tension， 没有对表面张力的方向进行规定。由于对表 面张力的机理分析不统一，国内不同专著与 教材上关于表面张力方向的说法互相矛盾。 部分《物理化学》教材上对于表面张力垂直 于界面的说法，是将净吸力误认为是表面张 力，这样的理解是不合理的。分子间力可以 引起净吸力，而净吸力引起表面张力，表面 张力永远和液体表面相切，而和净吸力互相 垂直。 将净吸力误认为是表面张力是很多学习 者容易犯的错误，在 U 型铁丝上放置可滑动 横杆测量表面张力的实验中，若把净吸力当 成表面张力，这里定义的表面张力就定义在 液固界面上，垂直于界面与拉力平衡的力不 是一个气液界面产生的力，而成了液固界面 的界面张力，这就与用这个例子从功能角度 定义表面自由能相矛盾了。其实这个实验研 究的对象是面积可变化的气液界面，由于液 固界面的界面张力远远大于气液表面张力， 所以在实验的过程中，移动横杆与液膜始终 紧紧贴在一起，横杆的移动造成气液表面面 积增大，而表面张力会有使表面收缩的趋势， 拉力与表面张力相平衡，从而能测出气液表 面张力。此外，对于浸没在水中的气泡，若 表面张力为垂直于界面的净吸力，则会有向 外的表面张力使得气泡变大，而这就与表面 张力使得表面自动收缩的初衷而矛盾了，而 且从弯曲液面附加压力的角度来看 ，附加压 差使得水中气泡缩小。 由此分析得出净吸力与表面张力不是同 一个力，净吸力是微观的，而表面张力是宏 观的，净吸力引起了表面张力但两者之间是 有着本质区别的。从本文对表面张力机理的 分析中也可看出表面张力是一个平行于界面 或者说与界面相切的力，使表面有自动收缩 的趋势。 4 结论 ②设备简单 , 易操作；③排液连续 , 有利于 保护油层；④井口密封可靠 , 有利于保护自 然环境；⑤可与射孔、压裂、酸化等工艺措 施联作 , 缩短施工周期 , 减少了油层污染； ⑥可测取流压、流温 , 泵下高压取样；⑦排 液能力强 ,掏空深度大。 2.4.2 缺点：①由于动力液与产出液混 掺 , 录取地层液性困难；②泵体容易进砂导 致砂卡砂埋；③泵体工作不易，易损坏。 2.4.3 适用范围：①稠油井；②排液深 度可达 4000 ｍ；③可长期连续性排液；④可 用于射孔联作、酸化联作、压裂联作排液。 2.4.4 应用实例 F10 井，S2-1 层， 井 段：2140.0- 2137.0m，本层应用压裂后配合水力泵排液 4.2 节约能耗效益对比 单管环状集油工艺流程能耗情况 ① 把 1m3 水从 30℃加热到 80℃，通过 计算，需耗天然气 5 m3，平均单井日掺水 按 5 m3 计算，55 口井掺水量为 275 m3/d， 日耗气需 1375 m3，天然气价格按 1.38 元 / m3 计算，年耗气折算成人民币 : 1375 m3 ×1.38 元 / m3×365 天 =69.3 万元。 ②掺水泵年耗电折算成人民币： 45KW×2 台 ×24 小时 ×365 天 ×0.5472 元 /KW•h=43.1 万元。 上述两项合计 112.4 万元。 单管树状电加热集输工艺流程能耗情况 A 区块目前有加热器 22 台（其中 5 KW18台、10 KW1台、15 KW1台、20 KW1台）， 日耗电 3600 KW；碳纤维维温电热管日耗电 28 KW/Km×14.6 Km=408.8 KW，年耗电折算 成人民币：4008.8 KW/d×365 天×0.5472 元 /KW=80.1 万元。 单管树状电加热集输工艺流程比单管环 状集油工艺流程节约能耗，年节约能耗折算 成人民币约 32.3 万元。 5 结论 单管树状电加热地面集输工艺流程，保 证了原油集输，简化了集油工艺，简捷了集 油途径，降低了投资及能耗，在一定程度上 缩小了集油管径，有效降低转油站气液分离 能力，大大简化低渗透低产油田集油工艺， 充分发挥低投入、高效益的技术优势。 参考文献 [1] 罗塘湖 .《管道输油的工艺与研 究》.油气储运 .1993:12 [2] GB/T 50253-2003《输油管道工程 规范》 作者简介 冷兴波（1973.09）男 头台油田采油五 区 采油一段段长。 方式，排液过程井底流压由 3.87MPa 下降到 0.26MPa/2115.8m，后期日排液 1.8m3，工艺 选择合理。 3 小结　　 通过以上对目前我们大庆油田常用的几 种排液工艺技术适应情况进行对照 , 每种排 液方法都有一定的局限性 , 都有与我们目前 的工作要求不适应的一面 , 都存在一些需要 解决的问题。因而在选择使用不同种排液工 艺技术进行排液时，都要根据井况判断后再 进行优化选择，在保证施工质量和录取资料 的准确性的基础上，达到经济效益最大化。 >> 上接第 62 页 >> 上接第 50 页 表面张力的机理可以从能量和力的角度 来分析，两者角度虽然不一样但是其内在实 质是统一的，无论是从能量还是力的分析都 得出表面层分子间距变大，使得分子间合力 为引力，宏观上形成表面张力，而表面层分 子的间距变大的事实又可以从统计力学的分 析上得到旁证。 从表面张力机理和对表面张力垂直于界 面的观点进行分析，可以得出表面张力与表 面相切而使得表面有收缩的趋势。 5 致谢 对表面张力产生机理和方向性的思考源 于赵雄虎老师在《油田化学》课上的讨论题， 特此感谢赵雄虎老师和 09 级石油工程创新班 全体同学。 参考文献 [1] Adam, N.K., The physic and Chemistry of Surfaces, p.1, ACS Publ., Washington D.C., 1965. [2] 关振民，物理化学，中国环境科学 出版社 P359，2010. [3] 刘志明，吴也平，金丽梅，应用物 理化学，化学工业出版社，P124,2009. [4] 张树德，如何理解表面张力，中学 物理，2010. [5] 顾惕人，朱王步遥，李外郎等，表 面化学，科学出版社，P5,2001. [6] 沈钟，赵振国，王果庭，胶体与表 面化学（第三版），P195,2004.