多种能形式条件下的毛细现象
何红雨1， 郭平生2
【摘 要】从能量公设出发，论述了吉布斯自由能判据的一般形式，由此分析了多种能形式存在时的毛细现象过程并得到了毛细现象过程一般的毛细管公式，结果表明：毛细现象过程是多种能形式的变化和相互作用的过程，毛细现象的结果由系统中各种能形式的相互作用和变化共同决定.从能量公设分析毛细现象过程，不仅揭示了毛细现象的实质，而且扩展了毛细管公式的应用范围，还开拓了处理毛细现象的思维方法.
【期刊名称】安徽师范大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2012(035)004 【总页数】5
【关键词】能量公设；吉布斯自由能判据；毛细现象；毛细管公式
毛细现象是自然界中一种普遍的物理现象，在日常生活中其应用也几乎处处可见，但对毛细现象机理的分析一般都认为只是表面张力和表面浸润现象共同引起，即由相关的表面张力能引起[1].“能量公设”指出[2]，热力学系统(包括复相系)往往存在多种能形式，每一种能形式的变化和相互作用都不是孤立发生，一种能形式的变化可能引起另一种能形式的变化，因此，在发生毛细现象过程中，其它形式的能可与表面张力能相互作用，共同引起毛细管中液体上升或下降，即除相关的表面张力能以外，其它形式的能也可以对毛细现象产生贡献.在此，本文主要以“能量公设”为基础讨论多种能形式条件下的毛细现象及毛细管公式，并以具体实例说明其应用.
1 能量公设与吉布斯自由能判据的一般形式
华贲教授等人从“状态公设”出发[3]，提出了“能量公设”.认为热力学系统存在多少个状态参量就应该具有多少种能量，如体系存在V、S、E等独立状态参量，则体系一定存在与之相关的压能、热能、电场能等.因此，热力学系统状态的内涵应该是能位态[4]，这就是能量公设的本质.能量公设把下式定义为热力学系统能位态函数[5]： (1)
式(1)中的ξi表示系统的第i种广义广延量，ξi表示与ξi共轭的第i种广义强度量(如ξi为系统的体积广延量V，则相应强度量ξi是压强P)，N+1表示热力学系统能量形式的种数(沿用“状态公设”表述：N表示与功类型相关的能量数目，1表示与热运动相关的热能形式).显然，式(1)中每一项都表示一种能位形式，任一种能位形式都表示成一个基本强度量部分与一个基本广延量部分的乘积ξiξi.如果热力学系统存在热能、压能、化学势能、电磁能(包括电场能，磁场能)，表面张力能等，则总的能位状态形式可表示：
当热力学体系只有一个组份，只存在相关体积功及热运动，则上式变为： U′=U=TS-PV+μn (2)
上式就是Gibbs关系式，U′就是热力学系统的内能U.显然，U′表示的不再是传统意义上的内能，而是系统的总能量形式，内能只是U′中的能形式之一.热力学系统总的(N+1种)能量U′中包括内能(热能、压能、化学势能，为热力学系统所固有)和外场能.从场的观点看，每一种能形式对应一种场.因此，能量公设进一步把广义强度量ξi定义为广义场参量，如温度场T，压力场P，化学势场μk，电场E，重力场g等.根据热力学系统与各种能量之间的依赖关系(内能与外场能)
可分为内场与外场，温度场T、压力场P、化学势场μi为内场；电场E，重力场g等为外场，因此，在系统的N+1种场中，内场有三种，外场有N-2种. 经典热力学把下式定义为吉布斯自由能(用G表示)，即： G=U-TS+PV (3)
显然仅从上式的表面上去理解G的定义是不能探究到G的本质，如果从“能量公设”的角度去理解G的定义，则很容易把握其内涵，因为把式(2)代入式(3)得： G=μn (4)
而“能量公设”把μn项定义为与化学势功相关的能形式，这样G表示的就是系统的化学势能，一般热力学教科书把化学势称为单位物质量的吉布斯自由能，这与式(4)一致.
对于吉布斯自由能判据，一般的热力学表为：一孤立物体系在温度和压强不变的情形下，系统中发生的不可逆过程总是朝着自由能减少的方向进行，平衡态的吉布斯自由能最小，即： δG≤0 (5)
式中G是由式(3)或式(4)所定义的.
下面用“能量公设”中式(1)讨论吉布斯自由能判据的一般化形式：考虑一孤立物体系，体系内部存在着N+1种运动形式(或能量形式)，当系统由初态A经等温、等压过程到达终态B时，可由式(1)定义G′=U′-TS+PV，则初始两态G′的
多种能形式条件下的毛细现象
