表面张力

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表面張力使得水黾能在水面行走
這朵花未被淹沒,要多得表面張力

表面張力(Surface tension)是一种物理效应,它使得液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积,就好像它是一层弹性的薄膜一样。其原因是液体的表面总是试图达到能量最低的状态。

广义地所有两种不同物态的物质之间界面上的张力被称为表面张力。

表面张力的量纲是单位长度的力和单位面积的能。

在材料科学里,表面张力也称为表面应力表面自由能

熱力學對表面張力係數的廣義定義為:表面張力係數σ是在溫度T和壓力p不變的情況下吉布士自由能G對面積A的偏導數:

 \sigma = \left(\frac{\partial G}{\partial A} \right)_{T,p}

吉布士自由能的單位是能量單位,因此表面張力係數的單位是能量/面積。

模型正確的地方[编辑]

  1. 表面張力是由物態內部的吸引力導致的,拿液體為例,液體內部分子之間的吸引力一般比氣體中分子之間或氣體與液體之間的分子之間的吸引力要大。
  2. 表面張力的起因實際上是界面所造成的不對稱。

誤解[编辑]

表面張力是一個位於表面內的力,而不是一個施加於表面上的力。表面張力不一定垂直於表面。

一般來說一個物態內部的原子或分子在穩定的狀態下即受到吸引力又受到互相之間的排斥力。兩種力平衡。在這種狀態下原子或分子之間的平均距離大致相同。在模型中為了簡略起見沒有提到排斥力,但假如缺乏排斥力的話,那麼原子或分子就會被吸引力加速而更加緊密。由於表面的原子或分子受到的界面對面的排斥力比較小,因此界面的原子或分子之間的距離比內部的原子或分子之間的距離大,這裡的原子或分子的密度比較小,相對於物態內部而言其原子或分子的能量比較高,而這個能量的增高就是表面張力的原因。

表面張力是一個內力,即使在平衡的狀態下表面張力也存在。比如一個物質的氣態和液態同時平衡存在的情況下,則兩態之間的邊界不變動,也就是說,在界面上垂直於界面的淨力為零。

後果[编辑]

表面張力促使液體縮小其表面面積,來減少未滿足的化學價。由於球面是同樣體積下面積最小的體,因此在沒有外力的情況下(比如在失重狀態下),液體在平衡狀態下總是呈球狀。

在液體滴(比如水滴)中,或在液體內的氣泡里,由於表面張力界面上的壓力比液體內部的壓力高。出於同理在肥皂泡內部的壓力比外部高。描寫這個壓力差的公式是楊-拉普拉斯公式。

测量[编辑]

使用环、片、张力表或毛细现象可以测量表面张力。

人们也可以对悬着的液滴进行光学分析和测量来确定液体的表面张力系数。

下面列举了一些测量方法:

  • 毛細管上升法:簡單,將毛細管插入液體中即可測量,雖然精確度可能不高。
  • 挂环法:这是测量表面张力的经典方法,它甚至可以在很难浸湿的情况下被使用。用一个初始浸在液体的环从液体中拉出一个液体膜(类似肥皂泡),同时测量提高环的高度时所需要施加的力。
  • 威廉米平板法:这是一种万能的测量方法,尤其适用于长时间测量表面张力。测量的量是一块垂直于液面的平板在浸湿过程中所受的力。
  • 旋转滴法:用来确定界面张力,尤其适应于张力低的或非常低的范围内。测量的值是一个处于比较密集的物态状态下旋转的液滴的直径。
  • 悬滴法:适用于界面张力和表面张力的测量。也可以在非常高的压力和温度下进行测量。测量液滴的几何形状。
  • 最大气泡法:非常适用于测量表面张力随时间的变化。测量气泡最高的压力。
  • 滴体积法:非常适用于动态地测量界面张力。测量的值是一定体积的液体分成的液滴数量。

数值[编辑]

水在20摄氏度时的表面张力系数为73mN/m。以下数据也都是20 °C时的测量数据:

液体 表面张力系数(mN/m)
n-戊烷 16.0
n-己烷 18.4
聚四氟乙烯 22.5
乙醇 22.55
甲醇 22.60
丙酮 23.3
28.9
聚乙烯 36.1
聚醚酮 46.0
72.75
476


相对而言水的表面张力相当高,只有汞的表面张力要高得多。水的表面张力随温度T变化的经验近似方程为:

\sigma = 0.07275  \cdot (1-0.002 \cdot (T - 291))

與溫度和成分的關係[编辑]

表面活性劑降低表面張力。這個效應可以描寫為一個相對於表面張力相反的平行壓π。不過π並不是真的壓力,它的單位與表面張力相同。

液面附近的空氣中的液體蒸汽壓已達到飽和,假如有其它蒸汽滲入的話表面張力會改變很大。

一般表面張力隨溫度升高而降低。在臨界點其值下降到0。描寫這個關係的是約特弗斯公式。

成因[编辑]

圖解表面張力

用分子力解释:液体的内聚力是形成表面张力的原因。在液体内部,每个分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引力(也包括排斥力),因此,液体内部分子受到的分子力合力为零。然而,在液体与气体的分界面上的液体分子在各个方向受到的引力是不均衡的(见图解),造成表面层中的分子受到指向液体内部的吸引力,并且有一些分子被“拉”到液体内部。因此,液体会有缩小液面面积的趋势,在宏观上的表现即为表面张力现象。

用分子势能解释:液体内部分子周围有大量分子,因此,内部分子的分子势能较低。然而,表面层中的分子周围的分子明显小于液体内部分子的,所以,表面层的分子有较高的分子势能。为了达到低能量的稳定状态,表面层中的分子有向液体内部移动的趋势,从而导致表面层中的分子数量减少,宏观表现为液体表面积减小。

效应[编辑]

一些昆虫水黾可以利用表面张力在水面上爬行,非常扁的物体如鋁質或鎳質的錢幣、剃须刀片或膜也可以通过表面张力浮在水面上。

在表面张力高的情况下水不易浸湿物体,还会从物体表面反弹。洗衣粉的作用之一就是降低水的表面张力。

生活中其他表面張力的例子:

  1. 水滴形成圓球狀,
  2. 豉豆蟲和水黽可在水面上行走。
  3. 針會浮在水面
  4. 荷葉上的水滴成圓球狀

历史[编辑]

1629年表面張力這個概念第一次出現,托馬斯·楊在1805年、皮埃爾-西蒙·拉普拉斯在1806年、西莫恩·德尼·泊松在1830年及約瑟夫·普拉泰奧從1842年到1868年對表面張力的理論做出巨大貢獻。