表面张力编辑

物理学概念

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表面张力，指的是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。清晨凝聚在叶片上的水滴、水龙头缓缓垂下的水滴，都是在表面张力的作用下形成的。此外，水黾之所以能站在水面上，也是由于表面张力的作用。

在三种介质的边界面相交于一点的情形中（例如一滴水银停在桌面上），接触线受到三个不同边界面的表面张力（图3）。因为接触线没有质量，所以要在所有能自由运动的方向上维持平衡，表面张力的合力在这些方向上的分量必须等于零，这就要求三个边界面交成一定的角度。如果|σ₁₂|比|σ₂₃|与|σ₃₁|的和还要大，则平衡就不可能出现。例如，汽油滴在水面上，由于空气和水的表面张力比另外两个油面上的表面张力之和还大，所以三种介质不能处于平衡状态，汽油将展布于整个水面，直到油层厚度到达分子尺寸为止。如果介质3是熔化了的脂肪，当把它放置在空气和水之间时，它就形成薄凸透镜的形状（如浮在菜汤上的脂肪圆球）。

如果三种介质有一种是固体（通常固体的边界面是平面），则只有平行固壁的接触线才能自由运动，由此得到该方向的平衡方程（图3b）：

或

图3 三介质接触线处的平衡

式中θ称为接触角。如果介质2是空气，介质3是液体，而且θ<π/2，则称固体是亲该液体的；如果θ>π/2，则称固体是憎该液体的。θ愈小，液体对该固体的浸润程度越高。

毛细管现象

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将一根管径很细的管子直插入液体中，由于液体、气体、固体接触面上表面张力的作用，液体会在管内爬升或下降。设r是管子的内半径，同时把管内液体表面近似地看成是球帽状（图4）。在管壁浸润情况下，表面张力的合力为：

它应与管内高出部分液体的重量平衡：

式中h是液面高度；ρ是液体密度；g是重力加速度；σ=σ₂₃。由此得

上式也可由拉普拉斯公式导出，注意在式（1）内

图4 毛细管中的流体爬升

可见r越小h越大。因此只有管径很小时水才可以反抗重力在管内爬升得较高。这就解释了吸水纸的吸水作用。当自由液面中间凸起时，它不仅不升高，反而降低到管外的液面以下。毛细作用也是影响地下水或石油在多孔介质中流动的一种重要因素（见渗流力学）。

球形液滴

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球形液滴

玻璃板上的水银滴基本上呈球形，这是因为水银滴外表面薄层内所有的分子都处在高势能状态。计算表明，如使分子总势能为极小，则表面必定呈圆球形。如果设法消除重力的影响，例如把液滴放在比重相同又与液滴不起化学反应的另一种液体中，或在真空中自由下落，或在失重的人造卫星与火箭的环境中，则液滴将呈现理想的球形。球面形的肥皂泡，荷叶上的球形露珠，也可以用相同的道理来解释。