表面張力

你玩過吹泡泡嗎?泡泡是圓的,很有趣,可以吹出來。泡泡飛出去後就會破。哇,真好玩,是小時候玩的遊戲。為什麼泡泡是圓的呢?

請您早上醒來,然後留意一下房子周圍的樹葉。觀察一下附著在樹葉上的露珠。很奇怪,露珠竟然是圓的。這怎麼可能?

表面張力的產生是因為液體表面趨於收縮,使其看起來像一層薄膜。這主要受水分子間內聚力的影響。為了更好地理解這一解釋,請看下圖。我們來看看容器中的液體。

表面張力 1在液體內部,每個液體分子都被其他分子包圍;但在液體表面,只有下方的液體分子。表面之上沒有其他液體分子。由於液體分子之間存在吸引力,因此位於液體內部的分子所受的總力為零。相反,位於液體表面的液體分子受到下方液體分子的拉力。因此,液體表面存在一個向下的總力。由於這個向下的合力,位於液體表面的液體會盡可能地收縮,從而減少其表面積。

這導致液面層看起來就像被一層薄薄的彈性膜覆蓋著一樣。這種現象稱為表面張力。

[內部審查程序]

當夾子小心地放在水面上時,位於水面上的水分子會受到夾子重力的輕微擠壓,因此位於下方的水分子會提供恢復力來支撐夾子。

實際上,不只是回形針之類的東西,像針這樣的物品也能漂浮在水面上。如果我們小心地把針放在水面以上,針就會浮起來。液體的表面張力也是昆蟲能夠漂浮在水面上的原因。

表面張力方程

在先前的討論中,我們已經定性地研究了表面張力的概念(沒有數學公式)。現在,我們將定量地回顧表面張力。為了幫助我們推導出表面張力公式,我們觀察一根彎成U形的金屬絲。另一根直金屬絲連接在U形金屬絲的兩端,這根直金屬絲可以移動。

表面張力 2如果將這根金屬絲插入肥皂中,取出後金屬絲表面會形成一層肥皂水,就像玩肥皂泡一樣。由於這根直金屬絲可以移動且品質不大,這層肥皂水會對金屬絲產生表面張力,使金屬絲向上垂直移動。為了保持金屬絲靜止(金屬絲處於平衡狀態),需要一個向下的總力,該總力的大小為 F = w + T。在平衡狀態下,F 等於肥皂水層對金屬絲產生的表面張力。

假設一根直導線的長度為 l。由於與直導線接觸的肥皂水層有兩個表面,因此肥皂水層產生的表面張力沿著 2l 方向作用。肥皂水層的表面張力是表面張力 (F) 與作用於此力的表面長度 (d) 之比。在本例中,表面長度為 2l。數學表達式為:

表面張力 3

因為表面張力是表面張力與長度之比,所以表面張力的單位是牛頓每公尺(N/m)或達因每公分(dynes/cm)。

以下是根據實驗獲得的一些表面張力值。

表面張力 4

表面張力 5

根據表面張力數據,溫度會影響流體的表面張力值。通常情況下,當溫度升高時,表面張力值會降低(比較不同溫度下水的表面張力,請參閱表格)。這是因為溫度升高時,液體分子的運動速度加快,導致分子間相互作用減弱,從而表面張力值降低。

表面張力概念在日常生活中的應用

你有沒有想過,為什麼要用肥皂洗衣服?問題在於,我們洗的衣服其實很乾淨;水必須穿過衣物纖維間非常狹窄的縫隙。因此,需要增加水與衣物的接觸面積。然而,由於表面張力的存在,這很難做到。所以,首先必須降低表面張力。我們可以用熱水來降低表面張力。水溫越高越好,因為水溫越高,表面張力越小(請參閱表格)。這是第一種方法,但很少使用。另一種方法是使用肥皂。

在20 ℃時,肥皂水的表面張力為25.00 mN/m。請比較肥皂和熱水,哪種表面張力較小?在100 ℃時,熱水的表面張力為58.90 mN/m。在20℃時,肥皂的表面張力為25.00 mN/m。使用肥皂更划算。以上解釋只是影響因素之一。

為什麼肥皂泡或水泡是圓形的?

肥皂泡或水滴之所以呈現圓形,是因為它們受到表面張力的影響。首先,我們來討論肥皂泡。肥皂泡表面有兩層薄膜,兩層薄膜之間是薄薄的水層。

表面張力的存在導致膜收縮,並趨向於減少其表面積。當肥皂水膜收縮並試圖最小化其表面積時,膜外側(大氣壓力)和膜內側的氣壓會有所差異。由於膜內側的氣壓較小,膜外側的氣壓(大氣壓力)也會在肥皂水膜收縮時施加壓力。

當膜收縮後,膜內的空氣(兩層膜之間滯留的空氣)受到擠壓,導致膜層內部氣壓升高,直到膜不再收縮。換句話說,當膜不再收縮時,膜間的氣壓等於大氣壓力加上使膜層起皺的表面張力。

那麼露水或水龍頭流出的水滴又是怎麼回事呢?原因也是一樣,主要原因是表面張力。肥皂泡有兩層薄膜覆蓋在兩個表面上,而水滴只有一層薄膜,位於水滴的外側。水滴內部充滿了水。由於內聚力的作用,表面張力產生了。水滴的外側被拉向內部。結果,水收縮,表面積減少。外界的大氣壓力也抑制水滴的收縮。當水滴內部的壓力等於大氣壓力加上表面張力(即水膜的收縮力)時,這種收縮就會停止。

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