表面張力-定義和實(shí)驗(yàn)

表面張力是液體表面與氣體接觸的液體表面充當(dāng)薄彈性片的現(xiàn)象。該術(shù)語(yǔ)通常僅在液體表面與氣體（例如空氣）接觸時(shí)使用。如果表面位于兩種液體（如水和油）之間，則稱為"界面張力"

表面張力的原因

各種分子間力，例如范德華力，將液體顆粒吸引在一起。沿著表面，顆粒被拉向液體的其余部分，如右圖所示。

表面張力（用希臘變量gamma表示）定義為表面力F與力作用的長(zhǎng)度d的比率：

gamma=F/d

34表面張力單位35

表面張力以N/m（牛頓/米）的SI單位測(cè)量，盡管更常見(jiàn)的單位是cgs單位dyn/cm（達(dá)因/厘米）。

為了考慮這種情況的熱力學(xué)，有時(shí)以單位面積的功數(shù)來(lái)考慮它是有用的。在這種情況下，SI單位是J/m²（焦耳每平方米）。cgs單位為erg/cm²。

這些力將表面顆粒結(jié)合在一起。雖然這種結(jié)合很弱-畢竟很容易破壞液體表面-它確實(shí)以多種方式表現(xiàn)出來(lái)。

表面張力示例

水滴。使用滴水器時(shí)，水滴不會(huì)連續(xù)流動(dòng)，而是會(huì)以一系列水滴流動(dòng)。液滴的形狀是由水的表面張力引起的。水滴不是't完全球形的**原因是重力拉低它。在沒(méi)有重力的情況下，液滴會(huì)使表面積最小化，以便最小化張力，這將導(dǎo)致完美的球形。

昆蟲(chóng)在水中行走。幾種昆蟲(chóng)能夠在水中行走，例如水str。它們的腿形成以分布它們的重量，導(dǎo)致液體表面變得凹陷，最小化勢(shì)能以產(chǎn)生力的平衡，使得strider可以移動(dòng)穿過(guò)水面而不突破表面。這在概念上類似于穿著雪鞋在沒(méi)有腳下沉的情況下走過(guò)深雪漂移。

漂浮在水面上的針（或紙夾）。即使這些物體的密度大于水，沿凹陷的表面張力也足以抵消重力拉向金屬物體的力。點(diǎn)擊右邊的圖片，然后點(diǎn)擊"下一步，"查看這種情況的力圖或?yàn)樽约簢L試浮動(dòng)針技巧。

肥皂泡的解剖學(xué)

當(dāng)你吹肥皂泡時(shí)，你會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加壓的氣泡，它包含在薄而有彈性的液體表面。大多數(shù)液體不能保持穩(wěn)定的表面張力以產(chǎn)生氣泡，這就是為什么肥皂通常用于該過(guò)程。。。它通過(guò)稱為Marangoni效應(yīng)的東西穩(wěn)定表面張力。

當(dāng)氣泡吹掃時(shí)，表面膜趨于收縮。這導(dǎo)致氣泡內(nèi)部的壓力增加。氣泡的大小穩(wěn)定在氣泡內(nèi)的氣體贏得't進(jìn)一步收縮的大小每天一條護(hù)膚小知識(shí)，至少不會(huì)爆裂氣泡。

事實(shí)上，肥皂泡上有兩個(gè)液-氣界面-氣泡內(nèi)部有一個(gè)液-氣界面，氣泡外部有一個(gè)液-氣界面。在兩個(gè)表面之間是液體薄膜。

肥皂泡的球形形狀是由給定體積的表面積最小化引起的，球體總是具有最小表面積的形式。

肥皂泡內(nèi)的壓力

為了考慮肥皂泡內(nèi)的壓力，我們考慮氣泡的半徑R以及液體的表面張力γ（在這種情況下肥皂-約25達(dá)因）/厘米）。

我們首先假設(shè)沒(méi)有外部壓力（當(dāng)然，這不是真的，但我們會(huì)在一定程度上解決這個(gè)問(wèn)題）。然后，您考慮穿過(guò)氣泡中心的橫截面。

沿著該橫截面，忽略內(nèi)半徑和外半徑的微小差異，我們知道周長(zhǎng)將是2piR。每個(gè)內(nèi)表面和外表面沿整個(gè)長(zhǎng)度將具有gamma的壓力，因此總數(shù)。因此，來(lái)自表面張力（來(lái)自內(nèi)膜和外膜）的總力為2γ（2pi R）。

然而，在氣泡內(nèi)部，我們有一個(gè)壓力p，它作用于整個(gè)橫截面pi R²，導(dǎo)致總力p（pi R²）。

由于泡沫是穩(wěn)定的，這些力的總和必須為零，所以我們得到：

2gamma（2pi R）=p（pi R²）
或
p=4gamma/R

顯然，這是一個(gè)簡(jiǎn)化的分析，氣泡外部的壓力為0，但這很容易擴(kuò)展，以獲得內(nèi)部壓力p和外部壓力p之間的差：

180 p 181-182 p 183 4184 gamma 185/186 R 187

液滴中的壓力

分析一滴液體，而不是肥皂泡，更簡(jiǎn)單。而不是兩個(gè)表面，只有外表面需要考慮，所以一個(gè)因素從前面的等式中有2個(gè)下降（請(qǐng)記住，我們將表面張力加倍以解釋兩個(gè)表面？）為了屈服：

p-p=2gamma/R

接觸角

表面張力發(fā)生在氣液界面期間，但如果該界面與固體表面（例如容器壁）接觸，則界面通常在該表面附近向上或向下彎曲。這種凹面或凸面形狀被稱為216彎月面217

如右圖所示確定接觸角θ。

接觸角可用于確定液固表面張力和液氣表面張力之間的關(guān)系，如下所示：

232 gamma 233--234 gamma 235 cos 236 theta 237

哪里

• gamma是液固表面張力
• gamma是液氣表面張力
• theta是接觸角

在該等式中需要考慮的一點(diǎn)是，在彎月面是凸的（即接觸角大于90度）的情況下，該等式的余弦分量將是負(fù)的，這意味著液-固表面張力將是正的。

另一方面，如果彎月面是凹的（即向下傾斜，因此接觸角小于90度），則cosθ項(xiàng)是正的，在這種情況下，該關(guān)系將導(dǎo)致負(fù)液固表面張力！

這實(shí)質(zhì)上意味著液體粘附在容器的壁上并且正在努力使與固體表面接觸的面積**化，從而使整體勢(shì)能最小化。

Capillarity

另一個(gè)影響是垂直管中的水是毛細(xì)管現(xiàn)象，其中液體表面相對(duì)于周?chē)后w在管內(nèi)升高或降低。這也與觀察到的接觸角有關(guān)。

如果容器中有液體，并將半徑r的窄管（或毛細(xì)管）放入容器中，將發(fā)生的垂直位移y毛細(xì)管由下式給出：

296 y 297>（2 298 gamma 299 cos 300 theta 301）/（302 dgr 303）

哪里

注意：再一次，如果θ大于90度（凸面彎月面），導(dǎo)致負(fù)的液固表面張力，則液體水平將比周?chē)?，而不是相?duì)于它上升。

毛細(xì)血管在日常世界中以多種方式表現(xiàn)出來(lái)。紙巾通過(guò)毛細(xì)管吸收。燃燒蠟燭時(shí)，熔化的蠟由于毛細(xì)管作用而從燈芯上升起。在生物學(xué)中，雖然血液被泵入全身，但正是這個(gè)過(guò)程將血液分布在最小的血管中，這些血管被適當(dāng)?shù)胤Q為毛細(xì)血管。

Quarters in a Full Glass of Water

所需材料：

• 10至12個(gè)季度
• 充滿水的玻璃

慢慢地，用穩(wěn)定的手，將季度一次帶到玻璃的中心。把季度的狹窄邊緣放在水和放手。（這樣可以**限度地減少對(duì)地表的破壞，并避免形成可能導(dǎo)致溢出的不必要的波浪。）

隨著你繼續(xù)多個(gè)季度，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)水如何凸出而不會(huì)溢出玻璃頂部！

可能的變體：使用相同的玻璃杯進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，但在每個(gè)玻璃杯中使用不同類型的硬幣。使用多少可以進(jìn)入的結(jié)果來(lái)確定不同硬幣的體積比。

浮動(dòng)針

所需材料：

• 叉子（變體1）
• 薄紙（變體2）
• 縫合針
• 裝滿水的玻璃

將針?lè)旁诓孀由希p輕地將其放入玻璃杯中。小心地拔出叉子，可以使針漂浮在水面上。

這個(gè)技巧需要一個(gè)真正穩(wěn)定的手和一些練習(xí)，因?yàn)槟惚仨氁瞥孀?，使針的一部分不?huì)弄濕。。。或者針將下沉。您可以事先在手指之間摩擦針頭"油"它可以增加您的成功機(jī)會(huì)。

Variant 2 Trick

將縫合針?lè)旁谝恍K薄紙上（足夠大以握住針）。針?lè)旁诩埥砩稀１〖垖⒈凰癫⒊寥氩ＡУ撞?，使針漂浮在表面上?/p>

伸出帶有肥皂泡的蠟燭

所需材料：

• 點(diǎn)燃蠟燭（注意：未經(jīng)父母批準(zhǔn)和監(jiān)督，請(qǐng)勿在比賽中玩耍
• 漏斗
• 洗滌劑或肥皂泡溶液

把你的thumb在漏斗的小端。小心地把它帶到蠟燭上。取下拇指，肥皂泡的表面張力會(huì)使其收縮，迫使漏斗中的空氣流出。由氣泡強(qiáng)迫出來(lái)的空氣應(yīng)該足以伸出蠟燭。

有關(guān)一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)參閱火箭氣球。

電動(dòng)紙魚(yú)

所需材料：

• 一張紙
• 剪刀
• 植物油或液體洗牌機(jī)洗滌劑
• 一個(gè)裝滿水的大碗或面包餅盤(pán)

切除紙魚(yú)圖案后，將其放在水箱上，使其漂浮在水面上。將一滴油或洗滌劑放入魚(yú)中間的孔中。

洗滌劑或油會(huì)導(dǎo)致該孔中的表面張力下降。這將導(dǎo)致魚(yú)向前推進(jìn)，在油穿過(guò)水時(shí)留下油跡，直到油降低整個(gè)碗的表面張力才停止。

下表顯示了在不同溫度下不同液體獲得的表面張力值。

實(shí)驗(yàn)表面張力值

由Anne-Marie Helmenstine編輯，博士。