表面張力

了解表面張力

表面張力的產生是因為液體表面趨於變硬,形成一層薄膜狀的物質。這主要受水分子間內聚力的影響。為了更好地理解這現象,請看下圖。假設容器中盛有液體。

表面張力 1液體分子之間通常存在相互吸引力。在液體內部,每個液體分子都被兩側的其他分子包圍;但在液體表面,只有兩側和下方的液體分子,上方沒有其他液體分子。由於液體分子之間存在相互吸引力,液體內部分子所受的合力為零。相反,液體表面的分子會受到兩側和下方液體分子的吸引。因此,液體表面存在著一個向下的合力。由於這個向下的合力,液體表面會趨向於縮小其表面積,盡可能地收縮。

這使得表面上的液體層看起來就像被一層薄薄的彈性膜覆蓋著一樣。 

當夾子小心地放在水面上時,水面上的水分子會受到一定的擠壓。 重力 夾子,這樣下方的水分子就能提供向上的恢復力來支撐夾子(再次記住這一點)。 彈性與胡克定律).

實際上,回形針並不是唯一可以使用的工具;其他物品,例如針,也可以。如果你小心地將針放在水面上,它就會漂浮起來。這也是昆蟲能夠漂浮在水面上的原因。

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表面張力方程

為了幫助我們推導出表面張力方程,我們考慮一根彎成U形的金屬絲。另一根直金屬絲連接在U形金屬絲的兩條腿上,這根直金屬絲可以移動。

表面張力 2

如果將這根導線放入肥皂水中,取出後導線表面會形成一層肥皂水,就像玩肥皂泡一樣。由於這條直導線可以移動且品質不大,肥皂水層會對導線產生表面張力,使導線向上移動(注意箭頭方向)。為了使導線保持靜止(導線處於平衡狀態),需要一個向下的合力,其大小為 F = w + T。在平衡狀態下,F 等於肥皂水層對導線施加的力。

假設一根直導線的長度為 l。由於與導線接觸的肥皂水層有兩個表面,因此肥皂水層產生的力作用於長度為 2l 的表面上。肥皂水層的表面張力是力 (F) 與力作用的表面長度 (d) 的比值。在本例中,表面長度為 2l。數學表達式為:

表面張力 3

因為表面張力是力與單位長度的比值,所以單位是牛頓每公尺(N/m)或達因每公分(dyn/cm)。

以下是根據實驗獲得的一些表面張力值。

表面張力 4

根據以上數據,溫度似乎會影響流體的表面張力。通常情況下,隨著溫度升高,表面張力值會降低。這是因為溫度升高時,液體分子的運動速度加快,分子間的相互作用減弱,導致表面張力值降低。

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日常生活中的應用

你有沒有想過為什麼我們要用肥皂洗衣服?問題在於,要真正把衣服洗乾淨,水必須穿過纖維中非常細小的縫隙。這就需要增加水的表面積。但由於表面張力的存在,這很難實現。不管你喜不喜歡,首先必須降低水的表面張力。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,表面張力越低(請參閱表格)。這是第一種方法,但除了那些喜歡玩熱水的人之外,很少有人使用。另一種方法是使用肥皂。

在 20 的溫度下 oC,肥皂水的表面張力值為 25,00 mN/m。請比較肥皂水和熱水,哪一種水的表面張力值最小?在 100 o攝氏時,熱水的表面張力值為58,90。在攝氏20度時 oC,肥皂水的表面張力為25,00 mN/m。使用肥皂更有優勢…而且水溫也不高。還有其他因素會影響肥皂對衣物或身體的清潔效果。因此,以上只是其中一個因素。

為什麼肥皂泡或水泡是圓形的?

肥皂泡,或者說水滴,由於表面張力而呈球形。我們先來了解肥皂泡。肥皂泡表面有兩層薄膜,中間夾著一層薄薄的水膜。

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表面張力導致膜收縮,從而減小其表面積。當肥皂水膜收縮並試圖減小其表面積時,膜內外(大氣壓力)之間會產生氣壓差。由於膜內氣壓較低,膜外氣壓(大氣壓力)也會推動收縮的肥皂水膜。

當膜收縮後,膜內的空氣(兩層膜之間滯留的空氣)也會被壓縮,導致膜內氣壓升高,直到收縮停止。換句話說,當收縮停止時,膜間的氣壓等於大氣壓力加上使膜收縮的表面張力。

那麼露珠或水龍頭流出的水滴又是怎麼回事呢?它們本質上是一樣的,主要原因是表面張力。肥皂泡的兩面都有薄膜,而水滴只有一層薄膜,位於水滴的外側。水滴內部充滿了水。水滴的外側受到向內的拉力。因此,水會收縮,表面積也隨之減少。外部大氣壓力也有助於壓縮水滴。當水滴內部的壓力等於大氣壓力加上使水膜收縮的力量時,收縮就會停止。

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