表面张力

了解表面张力

表面张力的产生是因为液体表面趋于变硬,形成一层薄膜状的物质。这主要受水分子间内聚力的影响。为了更好地理解这一现象,请看下图。假设容器中盛有液体。

表面张力 1液体分子之间通常存在相互吸引力。在液体内部,每个液体分子都被两侧的其他分子包围;但在液体表面,只有两侧和下方的液体分子,上方没有其他液体分子。由于液体分子之间存在相互吸引力,液体内部分子所受的合力为零。相反,液体表面的分子会受到两侧和下方液体分子的吸引。因此,液体表面存在一个向下的合力。由于这个向下的合力,液体表面会趋向于缩小其表面积,尽可能地收缩。

这使得表面上的液体层看起来就像被一层薄薄的弹性膜覆盖着一样。 

当夹子小心地放在水面上时,水面上的水分子会受到一定的挤压。 重力 夹子,这样下方的水分子就能提供向上的恢复力来支撑夹子(再次记住这一点)。 弹性与胡克定律).

实际上,回形针并不是唯一可以使用的工具;其他物品,比如针,也可以。如果你小心地将针放在水面上,它就会漂浮起来。这也是昆虫能够漂浮在水面上的原因。

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表面张力方程

为了帮助我们推导表面张力方程,我们考虑一根弯成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。

表面张力 2

如果将这根导线放入肥皂水中,取出后导线表面会形成一层肥皂水,就像玩肥皂泡一样。由于这根直导线可以移动且质量不大,肥皂水层会对导线产生表面张力,使导线向上运动(注意箭头方向)。为了使导线保持静止(导线处于平衡状态),需要一个向下的合力,其大小为 F = w + T。在平衡状态下,F 等于肥皂水层对导线施加的力。

假设一根直导线的长度为 l。由于与导线接触的肥皂水层有两个表面,因此肥皂水层产生的力作用于长度为 2l 的表面上。肥皂水层的表面张力是力 (F) 与力作用的表面长度 (d) 的比值。在本例中,表面长度为 2l。数学表达式为:

表面张力 3

因为表面张力是力与单位长度的比值,所以单位是牛顿每米(N/m)或达因每厘米(dyn/cm)。

以下是根据实验获得的一些表面张力值。

表面张力 4

根据以上数据,温度似乎会影响流体的表面张力。通常情况下,随着温度升高,表面张力值会降低。这是因为温度升高时,液体分子的运动速度加快,分子间的相互作用减弱,从而导致表面张力值降低。

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日常生活中的应用

你有没有想过为什么我们要用肥皂洗衣服?问题在于,要真正把衣服洗干净,水必须穿过纤维中非常细小的缝隙。这就需要增加水的表面积。但由于表面张力的存在,这很难实现。不管你喜不喜欢,首先必须降低水的表面张力。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,表面张力越低(见表格)。这是第一种方法,但除了那些喜欢玩热水的人之外,很少有人使用。另一种方法是使用肥皂。

在20度的温度下 oC,肥皂水的表面张力值为 25,00 mN/m。请比较肥皂水和热水,哪种水的表面张力值最小?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,肥皂水的表面张力为25,00 mN/m。使用肥皂更有优势……而且水温也不高。还有其他因素会影响肥皂对衣物或身体的清洁效果。因此,以上只是其中一个因素。

为什么肥皂泡或水泡是圆形的?

肥皂泡,或者说水滴,由于表面张力而呈球形。我们先来了解一下肥皂泡。肥皂泡表面有两层薄膜,中间夹着一层薄薄的水膜。

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表面张力导致膜收缩,从而减小其表面积。当肥皂水膜收缩并试图减小其表面积时,膜内外(大气压力)之间会产生气压差。由于膜内气压较低,膜外气压(大气压力)也会推动收缩的肥皂水膜。

当膜收缩后,膜内的空气(两层膜之间滞留的空气)也会被压缩,导致膜内气压升高,直至收缩停止。换句话说,当收缩停止时,膜间的气压等于大气压加上使膜收缩的表面张力。

那么露珠或水龙头里流出的水滴又是怎么回事呢?它们本质上是一样的,主要原因是表面张力。肥皂泡的两面都有薄膜,而水滴只有一层薄膜,位于水滴的外侧。水滴内部充满了水。水滴的外侧受到向内的拉力。因此,水会收缩,表面积也随之减小。外部大气压力也有助于压缩水滴。当水滴内部的压力等于大气压力加上使水膜收缩的力时,收缩就会停止。

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