你玩过吹泡泡吗?泡泡是圆的,很有趣,可以吹出来。泡泡飞出去后就会破。哇,真好玩,是小时候玩的游戏。为什么泡泡是圆的呢?
请您早上醒来,然后留意一下房子周围的树叶。观察一下附着在树叶上的露珠。很奇怪,露珠竟然是圆的。这怎么可能呢?
表面张力的产生是因为液体表面趋于收缩,使其看起来像一层薄膜。这主要受水分子间内聚力的影响。为了更好地理解这一解释,请看下图。我们来看一下容器中的液体。
在液体内部,每个液体分子都被其他分子包围;但在液体表面,只有下方的液体分子。表面之上没有其他液体分子。由于液体分子之间存在吸引力,因此位于液体内部的分子所受的总力为零。相反,位于液体表面的液体分子受到下方液体分子的拉力。因此,液体表面存在一个向下的总力。由于这个向下的合力,位于液体表面的液体会尽可能地收缩,从而减小其表面积。
这导致液面层看起来就像被一层薄薄的弹性膜覆盖着一样。这种现象被称为表面张力。
当夹子小心地放在水面上时,位于水面上的水分子会受到夹子重力的轻微挤压,因此位于下方的水分子会提供恢复力来支撑夹子。
实际上,不仅仅是回形针之类的东西,像针这样的物品也能漂浮在水面上。如果我们小心地把针放在水面以上,针就会浮起来。液体的表面张力也是昆虫能够漂浮在水面上的原因。
表面张力方程
在之前的讨论中,我们已经定性地研究了表面张力的概念(没有数学公式)。现在,我们将定量地回顾表面张力。为了帮助我们推导表面张力公式,我们观察一根弯成U形的金属丝。另一根直金属丝连接在U形金属丝的两端,这根直金属丝可以移动。
如果将这根金属丝插入肥皂中,取出后金属丝表面会形成一层肥皂水,就像玩肥皂泡一样。由于这根直金属丝可以移动且质量不大,这层肥皂水会对金属丝产生表面张力,使金属丝向上竖直运动。为了保持金属丝静止(金属丝处于平衡状态),需要一个向下的总力,该总力的大小为 F = w + T。在平衡状态下,F 等于肥皂水层对金属丝产生的表面张力。
假设一根直导线的长度为 l。由于与直导线接触的肥皂水层有两个表面,因此肥皂水层产生的表面张力沿 2l 方向作用。肥皂水层的表面张力是表面张力 (F) 与作用于该力的表面长度 (d) 之比。在本例中,表面长度为 2l。数学表达式为:

因为表面张力是表面张力与长度之比,所以表面张力的单位是牛顿每米(N/m)或达因每厘米(dynes/cm)。
以下是根据实验获得的一些表面张力值。


根据表面张力数据,温度会影响流体的表面张力值。通常情况下,温度升高时,表面张力值会降低(比较不同温度下水的表面张力,见表格)。这是因为温度升高时,液体分子的运动速度加快,导致分子间相互作用减弱,从而表面张力值降低。
表面张力概念在日常生活中的应用
你有没有想过,为什么要用肥皂洗衣服?问题在于,我们洗的衣服其实很干净;水必须穿过衣物纤维间非常狭窄的缝隙。因此,需要增加水与衣物的接触面积。然而,由于表面张力的存在,这很难做到。所以,首先必须降低表面张力。我们可以用热水来降低表面张力。水温越高越好,因为水温越高,表面张力越小(见表格)。这是第一种方法,但很少使用。另一种方法是使用肥皂。
在温度 20 oC,肥皂水的表面张力值为 25.00 mN/m。请比较肥皂水和热水,哪种表面张力值最小?在 100 o摄氏度时,热水的表面张力值为58.90。在20摄氏度时 oC,肥皂的表面张力值为25.00 mN/m。使用肥皂更有利可图。以上解释的只是影响因素之一吗?
为什么肥皂泡或水泡是圆形的?
肥皂泡或水滴之所以呈圆形,是因为它们受到表面张力的影响。首先,我们来讨论肥皂泡。肥皂泡表面有两层薄膜,两层薄膜之间是薄薄的水层。
表面张力的存在导致膜收缩,并趋向于减小其表面积。当肥皂水膜收缩并试图最小化其表面积时,膜外侧(大气压力)和膜内侧的气压会存在差异。由于膜内侧的气压较小,膜外侧的气压(大气压力)也会在肥皂水膜收缩时对其施加压力。
当膜收缩后,膜内的空气(两层膜之间滞留的空气)受到挤压,导致膜层内部气压升高,直至膜不再收缩。换句话说,当膜不再收缩时,膜间的气压等于大气压加上使膜层起皱的表面张力。
那么露水或水龙头里流出的水滴又是怎么回事呢?原因也一样,主要原因是表面张力。肥皂泡有两层薄膜覆盖在两个表面上,而水滴只有一层薄膜,位于水滴的外侧。水滴内部充满了水。由于内聚力的作用,表面张力产生了。水滴的外侧被拉向内部。结果,水收缩,表面积减小。外界的大气压也抑制着水滴的收缩。当水滴内部的压力等于大气压加上表面张力(即水膜的收缩力)时,这种收缩就会停止。