表面张力-定义和实验

表面张力是液体表面与气体接触的液体表面充当薄弹性片的现象。该术语通常仅在液体表面与气体（例如空气）接触时使用。如果表面位于两种液体（如水和油）之间，则称为"界面张力"

表面张力的原因

各种分子间力，例如范德华力，将液体颗粒吸引在一起。沿着表面，颗粒被拉向液体的其余部分，如右图所示。

表面张力（用希腊变量gamma表示）定义为表面力F与力作用的长度d的比率：

gamma=F/d

34表面张力单位35

表面张力以N/m（牛顿/米）的SI单位测量，尽管更常见的单位是cgs单位dyn/cm（达因/厘米）。

为了考虑这种情况的热力学，有时以单位面积的功数来考虑它是有用的。在这种情况下，SI单位是J/m²（焦耳每平方米）。cgs单位为erg/cm²。

这些力将表面颗粒结合在一起。虽然这种结合很弱-毕竟很容易破坏液体表面-它确实以多种方式表现出来。

表面张力示例

水滴。使用滴水器时，水滴不会连续流动，而是会以一系列水滴流动。液滴的形状是由水的表面张力引起的。水滴不是't完全球形的**原因是重力拉低它。在没有重力的情况下，液滴会使表面积最小化，以便最小化张力，这将导致完美的球形。

昆虫在水中行走。几种昆虫能够在水中行走，例如水str。它们的腿形成以分布它们的重量，导致液体表面变得凹陷，最小化势能以产生力的平衡，使得strider可以移动穿过水面而不突破表面。这在概念上类似于穿着雪鞋在没有脚下沉的情况下走过深雪漂移。

漂浮在水面上的针（或纸夹）。即使这些物体的密度大于水，沿凹陷的表面张力也足以抵消重力拉向金属物体的力。点击右边的图片，然后点击"下一步，"查看这种情况的力图或为自己尝试浮动针技巧。

肥皂泡的解剖学

当你吹肥皂泡时，你会产生一个加压的气泡，它包含在薄而有弹性的液体表面。大多数液体不能保持稳定的表面张力以产生气泡，这就是为什么肥皂通常用于该过程。。。它通过称为Marangoni效应的东西稳定表面张力。

当气泡吹扫时，表面膜趋于收缩。这导致气泡内部的压力增加。气泡的大小稳定在气泡内的气体赢得't进一步收缩的大小每天一条护肤小知识，至少不会爆裂气泡。

事实上，肥皂泡上有两个液-气界面-气泡内部有一个液-气界面，气泡外部有一个液-气界面。在两个表面之间是液体薄膜。

肥皂泡的球形形状是由给定体积的表面积最小化引起的，球体总是具有最小表面积的形式。

肥皂泡内的压力

为了考虑肥皂泡内的压力，我们考虑气泡的半径R以及液体的表面张力γ（在这种情况下肥皂-约25达因）/厘米）。

我们首先假设没有外部压力（当然，这不是真的，但我们会在一定程度上解决这个问题）。然后，您考虑穿过气泡中心的横截面。

沿着该横截面，忽略内半径和外半径的微小差异，我们知道周长将是2piR。每个内表面和外表面沿整个长度将具有gamma的压力，因此总数。因此，来自表面张力（来自内膜和外膜）的总力为2γ（2pi R）。

然而，在气泡内部，我们有一个压力p，它作用于整个横截面pi R²，导致总力p（pi R²）。

由于泡沫是稳定的，这些力的总和必须为零，所以我们得到：

2gamma（2pi R）=p（pi R²）
或
p=4gamma/R

显然，这是一个简化的分析，气泡外部的压力为0，但这很容易扩展，以获得内部压力p和外部压力p之间的差：

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

液滴中的压力

分析一滴液体，而不是肥皂泡，更简单。而不是两个表面，只有外表面需要考虑，所以一个因素从前面的等式中有2个下降（请记住，我们将表面张力加倍以解释两个表面？）为了屈服：

p-p=2gamma/R

接触角

表面张力发生在气液界面期间，但如果该界面与固体表面（例如容器壁）接触，则界面通常在该表面附近向上或向下弯曲。这种凹面或凸面形状被称为216弯月面217

如右图所示确定接触角θ。

接触角可用于确定液固表面张力和液气表面张力之间的关系，如下所示：

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

哪里

• gamma是液固表面张力
• gamma是液气表面张力
• theta是接触角

在该等式中需要考虑的一点是，在弯月面是凸的（即接触角大于90度）的情况下，该等式的余弦分量将是负的，这意味着液-固表面张力将是正的。

另一方面，如果弯月面是凹的（即向下倾斜，因此接触角小于90度），则cosθ项是正的，在这种情况下，该关系将导致负液固表面张力！

这实质上意味着液体粘附在容器的壁上并且正在努力使与固体表面接触的面积**化，从而使整体势能最小化。

Capillarity

另一个影响是垂直管中的水是毛细管现象，其中液体表面相对于周围液体在管内升高或降低。这也与观察到的接触角有关。

如果容器中有液体，并将半径r的窄管（或毛细管）放入容器中，将发生的垂直位移y毛细管由下式给出：

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（凸面弯月面），导致负的液固表面张力，则液体水平将比周围水平，而不是相对于它上升。

毛细血管在日常世界中以多种方式表现出来。纸巾通过毛细管吸收。燃烧蜡烛时，熔化的蜡由于毛细管作用而从灯芯上升起。在生物学中，虽然血液被泵入全身，但正是这个过程将血液分布在最小的血管中，这些血管被适当地称为毛细血管。

Quarters in a Full Glass of Water

所需材料：

• 10至12个季度
• 充满水的玻璃

慢慢地，用稳定的手，将季度一次带到玻璃的中心。把季度的狭窄边缘放在水和放手。（这样可以**限度地减少对地表的破坏，并避免形成可能导致溢出的不必要的波浪。）

随着你继续多个季度，你会惊讶地发现水如何凸出而不会溢出玻璃顶部！

可能的变体：使用相同的玻璃杯进行此实验，但在每个玻璃杯中使用不同类型的硬币。使用多少可以进入的结果来确定不同硬币的体积比。

浮动针

所需材料：

• 叉子（变体1）
• 薄纸（变体2）
• 缝合针
• 装满水的玻璃

将针放在叉子上，轻轻地将其放入玻璃杯中。小心地拔出叉子，可以使针漂浮在水面上。

这个技巧需要一个真正稳定的手和一些练习，因为你必须移除叉子，使针的一部分不会弄湿。。。或者针将下沉。您可以事先在手指之间摩擦针头"油"它可以增加您的成功机会。

Variant 2 Trick

将缝合针放在一小块薄纸上（足够大以握住针）。针放在纸巾上。薄纸将被水浸湿并沉入玻璃底部，使针漂浮在表面上。

伸出带有肥皂泡的蜡烛

所需材料：

• 点燃蜡烛（注意：未经父母批准和监督，请勿在比赛中玩耍
• 漏斗
• 洗涤剂或肥皂泡溶液

把你的thumb在漏斗的小端。小心地把它带到蜡烛上。取下拇指，肥皂泡的表面张力会使其收缩，迫使漏斗中的空气流出。由气泡强迫出来的空气应该足以伸出蜡烛。

有关一些相关的实验，请参阅火箭气球。

电动纸鱼

所需材料：

• 一张纸
• 剪刀
• 植物油或液体洗牌机洗涤剂
• 一个装满水的大碗或面包饼盘

切除纸鱼图案后，将其放在水箱上，使其漂浮在水面上。将一滴油或洗涤剂放入鱼中间的孔中。

洗涤剂或油会导致该孔中的表面张力下降。这将导致鱼向前推进，在油穿过水时留下油迹，直到油降低整个碗的表面张力才停止。

下表显示了在不同温度下不同液体获得的表面张力值。

实验表面张力值

由Anne-Marie Helmenstine编辑，博士。