表面张力的本质是什么,表面张力的主要原因

首页 > 教育 > 作者:YD1662023-03-16 14:33:30

所以,表面能代表的是巧克力与空气的差异;同理,所谓“界面能”,就是表征界面两侧两种物质的差异,差异越大,界面能越大。

表面张力——减少表面能的努力

自然界的大道之一,就是“最小能量原理”。一个液滴,会自发地寻找能量最小的形状,这里的能量就是表面能,而在表面上的作用力就是表面张力。

太空无重力下的汞滴,会自发形成一颗完美的圆球;空中漂浮的肥皂泡,也会自发地形成一个个球形薄膜——

表面张力的本质是什么,表面张力的主要原因(5)

因为,在相同体积的物体中,球的表面积是最小的,物质会自发地趋向于表面积最小。

这是因为,表面能 正比于 面积。

下面咱们展开来看一看这其中的关系。

单位中蕴含重要原理

表面张力的单位为【N/m】,经过换算,我们发现【N/m】=【J/m^2】

从这个等价单位可以看出,表面张力其实是“单位面积上的能量”。即:

表面张力 = 表面能密度

这样,我们就更容易理解公式——

表面能[J] = 表面张力[N/m] × 面积[m^2]

其实就是——

表面能[J] = 表面能密度[J/m^2] × 面积[m^2]

以上其实是“量纲分析”的一种典型应用,为了简单,采用“单位”的方式叙述,其实道理是一样的。

拓展:压强就是压力能密度

由以上分析,我们可以想到,压强的单位——

【Pa】=【N/m^2】=【J/m^3】

是否有所启发?

是的。压强,其实就是压力能(储存于三维体)的密度。

对应的,表面张力,是表面能(储存于二维面)的密度。

还记得流体力学中的"静力学方程"吗——

其实就是单位体积的能量守恒——动能 重力势能 压力能 为常量。

对流体力学感兴趣的同学可移步——

再拓展:表面张力是强度量

物理量分两类:强度量(intensive quantity)广延量(extensive quantity)

强度量是指与体系质量无关的量,如应力、压强、密度、温度、比热、表面能密度(表面张力)等。

广延量就是与体系质量成正比的量,如体积、内能、面积、质量、熵、电量、表面能等。

表面张力的本质是什么,表面张力的主要原因(6)

换种思考,强度量不具有可加性,广延量具有可加性

比如说,温度加温度是什么?没有物理意义呀。

两者的关系是——

广延量 = 强度量 × 体系的量

需要提醒的是,我们已经知道——

表面能密度[J/m^2] = 表面张力[N/m]

表面能[J] = 表面张力[N/m] × 面积[m^2]

不过,大量的中文文献和书籍中,经常用“表面能”来代替“表面能密度”,阅读时需要注意。

压强与表面张力的关系

先做一个小实验:咱们拿一个"铁丝圆环",从肥皂水里蘸一下,取出后会形成一个非常平整的薄膜。(这是因为肥皂膜自发地追求表面/表面能最小)

这时,咱们在一侧吹气(相当于施加了一个压强),平整的薄膜就发生“弯曲”——

表面张力的本质是什么,表面张力的主要原因(7)

事实上,弯曲的表面 与 压强 最终达到平衡

那么,咱们列一下平衡方程吧(假设压强均匀、薄膜为球面)——关注黑色圆平面:

表面张力 × 圆周长 = 压强 × 圆面积

表面张力的本质是什么,表面张力的主要原因(8)

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