当两物质不相溶时,为什么密度大的在下层,微观原理怎么解释?
比个心,谢谢啦。
我先放一个可能有点颠覆认知的东西,如下图。
这是我某次实验中的一杯废液,可以看出有三层,但都是水溶液,具体成分就不说了,因为涉及到我尚未完成的课题(不回去翻实验记录的话我也想不起来)。简单测了几次密度,如果我的操作无误的话,第一层(黄绿色)的密度比第二层(蓝色,略有混浊)大
下面从一个不太微观的角度讨论一下题主的问题。假设往液体B里扔液体A的小液珠,半径
取竖直向下为正方向。假设A在B表面无法铺展,即铺展系数
忽略界面的厚度,那么小液珠的弯曲外表面产生的净附加压力
考虑到小液珠受到的浮力
当小液珠浸没在B里(右)时,显然
对于图中左边的情况,
如果
回到最开始放的那个废液,黄绿色的第一层的上下表面都是下凹的,对「托起」这层液体都是有利的。振荡之后,界面瓦解,彼此混溶,因为这三层都是水溶液(分层是因为它们的溶质浓度都不低,以致于改变了其中水的性质,或者说其中的水已经不是相同的「水」,没那么容易产生相互作用了,而振荡使得水合成分之间发生碰撞、交换,这些不同的水又可以发生相互作用了)。如果是彼此不互溶的液体,比如前面举例的A和B,如下图,这里不考虑容器壁的影响。
假设
如果
当然,也可能出现向上凸的部分,情况基本雷同,就不赘述了。
如果要从微观上讨论这个问题的话,那就需要去分析在原子、分子层面,影响液体密度和界面张力的因素都有哪些。太复杂,足够写本书了,所以
略。
因为这样自由能低啊……
反过来的话就会触发瑞利泰勒不稳定性(R-T不稳定性),系统会迅速失稳直到重新平衡,上下两层液体位置反转。
当然如果两种液体粘性(运动方程中表现为阻尼项)都比较强的话,不稳定性会被抑制,此时密度较高的液体在上的介稳态可以维持一段时间,直到遇到比较剧烈的扰动。
因为R-T不稳定性是微观不稳定性,所以上述解释算是微观层面的解释(逃
因为有重力。
这个问题看起来很简单,但是非常有意思!
不相容已经代表不发生反应,甚至来说,也排除了离子化合物的存在,该假设是物质的分子作为基本元素(fundermental elements),类比宏观的物质来说,就类似一个固体小球什么的,但是不用管小球内部的东西,这是整个背景的解说。
这里仅仅考虑重力势,而不考虑分子之间的范德华力、双电层力等东西。
由于在靠近地球,这些物质相对于地球重力场的分布,距离无限小,重力场几乎现象关系,也就是我们常用的常数g=9.81.
这两个物质不相容,但是同一个物质之间,范德华力是需要考虑的,由于开始你可以设定会混合,那么同一种物质之间超过了其分子之间的斥力范围,这时候同种物质之间是相互吸引的,也就是范德华力。
那么为啥密度大的会在下面呢?由于密度是一种宏观的单位体积的质量,是宏观属性,我给一个新的密度的定义:密度表示的是属于该物质在该状态下的化学稳定性量度,也是分子之间距离的一个宏观表现。这是我给出的传统密度定义没有揭示的一个隐藏的内含和条件。
所以过程就清楚了:混合之后,同种分子之间相互吸引会使得不同的物质分离(开始看起来是混匀的混合溶液);而因为重力作用驱动两种物质分子,同种物质分子相互吸引,实现运动过程中就分离;同种物质密度大(初始条件)运动之后密度依然大(末尾化学稳定条件),那么这种密度大的,由于受到的重力场g的作用更多:F=Mg=ρvg。显然,这个运动过程的末尾,就是沉积在下层了。
用浮力就可以解释。密度小的流体受密度大的流体的浮力,大于它自身的重力,于是上浮。
推荐阅读: