科学网—地球重力条件下颗粒在气体和液体中的尺度效应
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2026-5-24 10:33
| 系统分类: 科研笔记
地球重力条件下颗粒在气体和液体中的尺度效应
张武昌 2026年5月24日星期日
（一）原子形成物质的力学基础
一般来讲，构成物质的基本单位是原子，约10^80个原子组成了可观测宇宙。
原子在宇宙中倾向于相互结合最终形成更大的颗粒，从广义讲，物质就是不同大小的particle，比原子小的particle称为粒子，比原子大的particle叫颗粒。从原子到分子到颗粒到小行星到行星到恒星到星系在物理学上都可以称为（简化）为颗粒。
原子构成物质的基本作用力是量子力（又称电子轨道力）、电磁力和重力。
原子的电子轨道中有不同数目的电子，当两个原子距离非常接近时，原子外层轨道电子在相邻原子的轨道之间进行重组，形成较强的结合力（电子轨道力），形成化合物，即（狭义的分子，多原子分子）。
广义分子（单原子分子和多原子分子）间的作用力是电磁力，即正电和负电之间同性相斥、异性相吸的力（主要是范德华力）。在一个原子之内，原子整体是电中性的，但是原子核的正电和电子的负电在空间上的不平衡使得原子的不同部位呈现微弱的正电性或负电性，称为极性，同理，较大的分子也呈现极性。分子之间不同极性的部位经过相互排斥或吸引使得分子有（按一定方式）聚集的趋势，这个力的作用距离比电子轨道力要远，随着距离的增加，分子整体的电中性战胜了广义分子内部的电性不平衡，这个作用力就失效了。因此不同分子的作用力不会叠加成一个更大的力。
重力（引力）是物质之间的吸引力，虽然也是随两个物质之间距离的增大而减小，但是重力的特点是叠加，因此随着质量的增加，重力逐渐占据主导，形成了宇宙中圆形的星球，即行星、恒星（和由此演化成的白矮星、中子星和黑洞）。
（二）
在可观测宇宙中，物质有三种温度阶段。
比行星还小的物质（从气体到小行星），处于接近绝对零度的低温中，以单分子单原子形式存在的为气态。以颗粒形式存在的为固态。没有液态。
在海拔约 350 千米的国际空间站周围，每立方米约有 10 万亿个分子、原子（包括离子，下同），它们主要来自地球大气。
在距离地球 10 万千米处，每立方米约有 700 万个分子、原子。
在太阳系内的行星际空间，每立方米约有数百万到 1000 万个原子。
在太阳系边缘，每立方米约有 1000 个到数万个原子。
在行星中，重力作用可以保有一定数量的气体，使得行星上可以有一定的温度梯度，有液体存在。
在恒星中，表面质量为1000度以上，处于等离子态。
虽然单分子或单原子无法定义其固液气态，从广义上讲这些星际气体分子应该处于固态。所以从星际气体到恒星，物态从唯一的固态，变为固液气混合态，变为等离子态。
（三）地球重力条件下固液气的分子间距
行星的大小和质量差别很大，我们的地球只是其中之一。
在地球重力条件下，我们熟知的固液气的参数大体如下。
原子的大小为直径0.08 纳米到1纳米之间。
分子堆积后造成的分子间距是由分子间作用力决定的。
气体分子间相互作用力较小，对分子的束缚能力很小，因此分子间距离很大，大约为1纳米（大于原子的直径）。
固体分子间作用力很强，分子只能在某个平衡位置附近做小幅的热振动，不能自由移动，分子间距离的约为0.1 纳米（注意氢原子直径为0.08纳米，可以穿越固体）。
液体介于二者之间，与固体更为接近。乙醇的分子间距为0.3-0.5纳米，液态石油的分子间距为04-0.6纳米，甘油的分子间距为0.45纳米，液氮的分子间距为0.35纳米，夜溴的分子间距为0.32-0.38纳米，液苯的分子间距为0.42纳米，液态二氧化硫分子间距为0.38纳米。
（四）地球重力条件下颗粒在气体和液体中的尺度效应
两种不同的分子在一定空间内共存，这个空间内的物质称为混合物。两种不同状态（固体气体、液体气体、固体液体）的分子混合叫做多相混合物。
食盐溶解到水中的状态可以认为是广义的混合物，混合的程度更深。大气不同气体混合的状态也可以认为是广义的溶解态（溶质处于单分子状态）。
在地球上任何空间中的物质都是多种物质的混合物，只是一些物质处于痕量或不可监测状态，所以科学家习惯上称为低于检测限以示严谨。
在地球上，我们熟悉的环境就是生物圈，尤其是生物圈的核心层：大气和岩石的交汇区、大气和海洋的交汇区、海洋和岩石的交汇区。在这些区域，固态物质、液态物质和气体物质混合在一起，形成了多相混合物。
在大气中，有固体和液体等颗粒，在液体（水）中有固体等颗粒。大气和水中的颗粒的大小是两组（四个）作用力共同作用的结果。
首先，颗粒在水中受到布朗运动和重力的作用。布朗运动是布朗在显微镜下观察到花粉的随机运动，爱因斯坦在1915年用分子运动撞击颗粒来解释布朗运动。随着颗粒质量的增加，表面积增大，相对的两个表面受到的分子撞击的差值占总撞击的比例减小，颗粒的质量增加，所以布朗运动越来越不明显。表面积的增加速度低于质量的增加速度，所以黏滞力（相当于固体的摩擦力）的增加速度低于重力的增加速度，重力逐渐占优势，颗粒开始下降。
第二，分子之间的范德华力维持不变，但是流体的湍流会将颗粒撕扯，颗粒增大时，撕扯力越大，所以这个过程导致颗粒会变小。
这两个作用都使得颗粒的粒径分布为正态分布，在特定的尺度的颗粒丰度最大。
随着颗粒尺度的变化，随之而来的是其形态、光学性质、化学性质、物理性质的一系列变化，称为尺度效应scale effect。因此大气和水中颗粒的粒径丰度分布是颗粒尺度效应的结果（其他的表现还有颜色变化是粒径大小对光谱400-700nm反射折射散射效应不同）。
这些微小颗粒在大气（液体）中既不同于宏观认识中固体下落的特征，也不符合溶解态（溶质单分子存在）的定义，称为胶体（广义的胶体还包括大分子如牛奶等）。
丁达尔效应是区分溶液和胶体的重要科学方法。溶液中的溶质颗粒极小（小于1纳米），无法使光发生明显散射，因此看不到光路；而胶体中的分散相中尺寸约 1～100 nm 的颗粒大小恰好能引发丁达尔效应，这一特性让它成为化学实验室里的常用判断依据。
（五）大气颗粒粒径分布
19 世纪人们注意到大气中的颗粒，并认识到这些颗粒是云雨的凝结核。科学家爱根利用颗粒的凝结核作用 于 1888 年研制成功爱根核计数器 (Aitken Nucleus Counter) ，当时的技术能力只能计数，不能分辨核的大小。目前凝结核计数器 (Condensation Nucleus Counter 一 CNC ；或 Condensation Particle Counter 一 CPC) ，主要应用于测量悬浮在大气中的凝结核 ( 气溶胶 ) 浓度，是最基本的测量气溶胶的仪器之一，利用激光技术测量粒径。
正常大气中的颗粒最大丰度位于 50-70 纳米直径之间，沙尘暴期间可达 2 um 。
PM2.5 ，又称可入肺颗粒物，是空气动力学当量直径小于等于 2.5 微米的颗粒物。由于粒径小、比表面积大、化学活性强， PM2.5 能够长时间悬浮在空气中，传播距离远，并易携带有毒有害物质，如重金属和微生物，对人体健康和大气环境质量影响更大。
云是由数不清的小水滴或小冰晶组成的。云中的水蒸气凝结在微小颗粒（如灰尘、烟雾或盐粒）上形成初始小水滴，这些水滴直径通常在0.001至0.005毫米之间。最终 10 微米直径的云滴丰度最大。
白云由于含有较少的水滴，因此透光性非常好，阳光可以轻易穿透云层，让云朵呈现出柔和的白色。而黑云则相反，它们含有大量的水滴或冰晶，这些水滴或冰晶不仅阻挡了阳光的直接穿透，还使得进入云层的光线在内部发生多次反射和散射，最终使得云层呈现为深灰色或黑色。
透光性的差异还与云层的厚度有关。通常来说，黑云更为厚重，它们不仅含有大量的水滴或冰晶，而且云层本身也较为密集，这进一步增强了它们对光线的阻挡作用。相比之下，白云则更加轻薄，水滴分布较为稀疏，使得阳光能够透过云层，形成我们常见的白云朵朵的景象。
随着水滴在空气中下落，它们会碰撞并融合其他小水滴，逐渐增大，直径达到10微米左右开始下落，但是终端速度很小，再加上空气阻力与上升气流的影响，这些水滴就很难落下来。
稍加扰动增加他们相遇“抱团”的机会，直径达到2毫米以上，才会突破空气阻力，从天上掉下来，这就是下雨。
实测雨滴谱
雨滴群中各种直径的雨滴数密度随直径的分布，又称雨滴尺度分布。雨滴谱的一般形式是数密度随直径增大而迅速减小（图1）。最大雨滴直径称为 谱宽 ，一般为2～3毫米，很少超过6毫米。雨滴谱是雨滴生成、下落、增长、破碎、蒸发等过程的综合结果。它们随云的种类、降水机制等而不同，在一次降雨中也可能有明显的变化。如阵性降水的雨滴谱一般较宽，数密度随直径减少较缓；连续性降水雨滴谱较窄，数密度随直径减少较陡。
在空气平静的条件下，一般都是毛毛细雨，如果空气对流强烈，小雨滴会互相碰撞形成大雨滴，但是大雨滴也不能无限增大。
当雨滴增大到大于6毫米左右时，和小雨滴相比， 液滴的形状基本上是外界气流影响主导，表面张力的影响大致可忽略。
失去了表面张力的制衡，液滴在气流的影响下就难以维持平衡了。具体讲， 由于两侧的低压，导致液滴被持续拉平，它就有一种从馒头向着馅饼变化的趋势了。
当它变得足够扁平，它就开始“兜风”。此时表面张力已经维持不住他的存在了，于是，伞破了，风漏了，液滴碎了。
最大雨滴的观测记录是在1995年的巴西和1999年的马绍尔群岛上空观测到直径约8.8毫米至1厘米的雨滴。
大型客机迫降时，都要排空燃油以保安全。由于燃油挥发性大，加之飞机飞行速度快，相对气流强，燃油在高空中会很快雾化扩散，基本不会影响环境，更不会形成“油雨”。为了不威胁到地面人员安全，各国都规定飞机空中放油高度不得低于3000米，这样放出的燃油会在落地前雾化挥发，不会对地面设施和人员造成威胁。
（五）水中颗粒粒径分布
对水中颗粒的测定落后于气体中颗粒的研究。
2024年自来水中颗粒分布结果显示水中颗粒的半径为120纳米到260 纳米（直径0.2-0.5 微米）。
在海洋中测定颗粒粒径技术还不够好，只能测定比5 微米大的颗粒。
可见，海水中颗粒随着变小到5微米，颗粒数目还在保持增加趋势，这一趋势于自来水中最大丰度位于0.2-0.5微米一致。
水体非生物颗粒中0.2-0.5微米的颗粒最多，是重力和布朗运动力、范德华力和流体撕扯力最终平衡的最佳解，这一尺度和海洋中最小的细胞为0.2-0.5微米一致，所以生命的进化是物理规则的产物。
（六）凝胶
当气体和水中的胶体颗粒增加，互相勾连，形成空间结构，反向包围气体和液体，就形成了气凝胶和水凝胶。
气凝胶Aérogel 是一种由气体填充的凝胶，具有极低的密度和高比表面积 ， 是目前已知的最轻固体。它的外观类似于“ 冻住的烟” ，并且由于其独特的结构，气凝胶在光学、热学、声学和电学等方面表现出优异的性能。气凝胶的密度通常在0.1 到0.9 克每立方厘米之间，其中最轻的全碳气凝胶的密度仅为0.16 毫克每立方厘米 ， 是空气密度的六分之一。。
水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构 凝胶 ，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。
由于存在交联网络，水凝胶可以 溶胀 和保有大量的水，水的吸收量与交联度密切相关。交联度越高，吸水量越低。这一特性很像一种软组织。水凝胶中的水含量可以低到百分之几，也可以高达99%。凝胶的 聚集态 既非完全的固体也非完全的液体。固体的行为是一定条件下可维持一定的形状与体积，液体行为是溶质可以从水凝胶中扩散或渗透。
果冻主要由水、糖类（如食糖或淀粉糖）和胶体增稠剂组成，通过加热溶解胶体后冷却形成三维网状结构，从而凝固成果冻。常用的胶体包括明胶、卡拉胶、琼脂、果胶、魔芋胶等，这些胶体在冷却后形成稳定的立体网状结构，使果冻具有Q 弹、柔软的质地。糖类不仅提供甜味，还通过氢键、疏水作用和静电相互作用参与凝胶网络的形成，增强果冻的弹性和持水性。
凉粉是淀粉形成的水凝胶，陕西的凉皮和北方的凉粉是用绿豆或者淀粉为原料，青岛凉粉以青岛独有的一种海菜——石花菜熬制而成，是一种类似于果冻的凝胶状食品，所以青岛人也称之为海菜凉粉、冻菜凉粉。
（六）细胞就是液凝胶
一个细胞内的原子数量取决于细胞的类型和大小。一般来说，较大的细胞含有更多的原子。例如，人体红细胞单个细胞约有80亿个原子，而小肠上皮细胞每个膜道（membrane channel）的离子通道可能有大约16,394个原子左右。
另外一种粗略的计算方式是：假设一个活细胞由水、蛋白质和其他分子组成。水的原子数是很少的，大概在几百万到一千万之间；普通的哺乳动物肌肉蛋白，每克至少包含2.5× 10^7 - 5 × 10^8 个氨基酸残基。这样算来，即使是质量最小的细胞也有几十万亿个（量级10^12）原子数以上。
人体内的细胞数量大约在30万亿到40万亿个之间。具体来说，成年男性的细胞数量约为36万亿个，成年女性约为28万亿个。所以人体内大约有7×10^27个原子。
细胞质传统上被描述为包裹在细胞膜内、除细胞器外的“液体”内环境，但越来越多研究指出，这一环境并非简单的均一溶液，而更接近于一种高度交联、含水量极高的水凝胶（hydrogel）样体系。
细胞质中大量蛋白质、RNA、多糖等大分子高度拥挤并通过多价弱相互作用与部分较强的交联构成类似的三维网络，使细胞质在宏观上可流动，在微观上却表现出黏弹性、选择性筛分和可逆固化等典型水凝胶特征。
近年来对生物大分子“相分离”（液 液相分离）和“可逆水凝胶”状态的研究，进一步表明细胞内很多无膜细胞器（如RNP颗粒、应激颗粒、核孔FG网状结构）也呈现水凝胶样组织形态。
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