由于表面张力的存在,泡泡表面任意位置的一小片液膜都会受到周围的膜对它的拉力,导致泡泡有自发收缩的趋势。因此,吹泡泡时需要用力才能吹大。这说明一个稳定的泡泡内部的压强比外部压强大,这个压强差称为附加压强(ΔP)。附加压强大小跟泡泡的表面张力(γ,也叫表面能)和液膜的主曲率半径(曲率;怎样准确描述一条曲线?;曲率和挠率的一般参数表达式及空间曲线论的基本定理)有关,他们之间的关系可以用拉普拉斯公式描述,即
其中R
事实上,泡泡有内外两个表面,附加压强是由两个表面一起贡献的,由于两个表面的表面张力几乎相等,因此它们各贡献一半的附加压强。对于球形气泡,表面各处形状一样,两个主曲率半径处处相等,就等于泡泡的半径R,因此
即附加压强跟气泡半径成反比。对于肉眼可见的气泡,附加压强远小于大气压,但是当气泡半径小到微米甚至纳米的尺度时,附加压强跟大气压相比则非常可观。
附加压强会导致一些有意思的物理现象,比如过热液体的形成。我们知道,液体的饱和蒸气压随温度的升高而升高,当液体被加热到其饱和蒸气压等于大气压时,就会沸腾,即剧烈地气化。沸腾时,随着物质从液态转化为气态,液体中的气泡会逐渐增大最后浮出页面。若液体特别干净,内部几乎没有微小气泡或杂质,当加热到沸点时,要想沸腾必须先产生气泡。但理论上刚产生的气泡非常微小,附加压强很大,根据拉普拉斯公式饱和蒸气压要远大于外部大气压才能维持气泡稳定存在以及长大。因此实际上气泡难以生成,从而导致温度达到甚至超过沸点也不会沸腾,这时的液体就是过热液体。
若向过热液体中加入少量多孔物质(内部微孔里面有空气),比如沸石或者干的泥沙,液体就会立刻剧烈沸腾,这叫作暴沸。即使没有加入任何物质,过热液体也不稳定,可能由于内部涨落而形成微小气泡并长大从而导致暴沸。暴沸是非常危险的,可能导致实验或工业容器的爆炸或人被烫伤,通常可以预先加入沸石等物质来防止。
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