表面張力
维基百科，自由的百科全书
表面張力是一种物理效应，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。表面张力的符号是σ或γ，单位是牛顿/米。
目录 |
[编辑] 效应
一些昆虫如水黾可以利用表面张力在水面上爬行，非常扁的物体如剃须刀片或铝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，它会从物体表面反弹。洗衣粉的作用之一就是降低水的表面张力。
[编辑] 定义
要扩大一个一定体积的液体的表面，那么需要向这个液体作功。表面张力的定义为在扩大一个液体的表面时所作的功除以被增大的面积。因此表面张力也可以被看作是表面能的密度。
[编辑] 热力学定义
热力学对表面张力的广义定义为：
表面张力σ是在温度T和压力p不变的情况下吉布斯自由能G对面积A的偏导数：
吉布斯自由能的单位是能量单位，因此表面张力的单位是能量/面积。
[编辑] 成因
表面张力是由组成一个物态的分子和原子之间的吸引力。表面或物态之间的界面可以被近似地看作是一个切面，而表面张力则可以被看作是每个面积单位上的未满足的化学价的能量。对宏观系统来说表面张力与表面的形状无关。
这个解释是一个比较简化的解释，它也可能会造成误会。
[编辑] 模型正确的地方
- 表面张力是由物态内部的吸引力导致的，拿液体为例，液体内部分子之间的吸引力一般比气体中分子之间或气体与液体之间的分子之间的吸引力要大。
- 表面张力的起因实际上是界面所造成的不对称。
[编辑] 当心误解
表面张力是一个位于表面内的力，而不是一个施加于表面上的力。表面张力不一定垂直于表面。
一般来说一个物态内部的原子或分子在稳定的状态下即受到吸引力又受到互相之间的排斥力。两种力平衡。在这种状态下原子或分子之间的平均距离大致相同。在模型中为了简略起见没有提到排斥力，但假如缺乏排斥力的话，那么原子或分子就会被吸引力加速而更加紧密。由于表面的原子或分子受到的界面对面的排斥力比较小，因此界面的原子或分子之间的距离比内部的原子或分子之间的距离大，这里的原子或分子的密度比较小，相对于物态内部而言其原子或分子的能量比较高，而这个能量的增高就表面张力的原因。
表面张力是一个内力，即使在平衡的状态下表面张力也存在。比如假如一个物质的气态和液态同时平衡存在的情况下，则两态之间的边界不变动，也就是说，在界面上没有垂直于界面的力存在
[编辑] 后果
表面张力促使液体缩小其表面面积，来减少未满足的化学价。由于球面是同样体积下面积最小的体，因此在没有外力的情况下（比如在失重状态下），液体在平衡状态下总是呈球状。
在液体滴（比如水滴）中，或在液体内的气泡里，由于表面张力界面上的压力比液体内部的压力高。出于同理在肥皂泡内部的压力比外部高。描写这个压力差的公式是杨-拉普拉斯公式。
[编辑] 测量
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。
下面列举了一些测量方法：
- 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。
[编辑] 数值
水在20摄氏度时的表面张力为0.073N/m。一下数据也都是20°C时的测量数据：
| 液体 | 表面张力 |
| mN/m | |
| 丙酮 | 23.3 |
| 苯 | 28.9 |
| 乙醇 | 22.55 |
| n-己烷 | 18.4 |
| 甲醇 | 22.60 |
| n-戊烷 | 16.0 |
| 聚乙烯 | 36.1 |
| 聚醚酮 | 46.0 |
| 聚四氟乙烯 | 22.5 |
| 汞 | 476 |
| 水 | 72.75 |
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：
[编辑] 与温度和成分的关系
表面活性剂降低表面张力。这个效应可以描写为一个相对于表面张力相反的平行压π。不过π并不是真的压力，它的单位与表面张力相同。
液面附近的空气中的液体蒸汽压已达到饱和，假如有其它蒸汽渗入的话表面张力会改变很大。
一般表面张力随温度升高而降低。在临界点其值下降到0。描写这个关系的是约特弗斯公式。
[编辑] 历史
1629年表面张力这个概念第一次出现，托马斯·杨于1805年、皮埃尔-西蒙·拉普拉斯于1806年、西莫恩·德尼·泊松于1830年和约瑟夫·普拉泰奥从1842年到1868年对表面张力的理论做出了巨大的贡献。
