表面张力的公式与单位,表面张力的三种表示方法

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-04-04 14:35:58

图5 内部与表面水对比

俗话说“物以类聚,人以群分”,更加相似的同类分子间往往关系更为融洽,而不同种分子间的关系则相对疏远。在物理上表现为同类分子间的势能曲线最低点更低。因此,对于一个存在于内部的水分子,如果来到表面,需要断开与同类分子的部分关系,而代之以与比较“生疏”的空气分子间的作用,显然是不情愿的!这体现为能量的升高。那么,什么情况下水分子要从内部来到表面呢?正是吹泡泡的时候。

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图6 吹泡泡过程示意

用圆环蘸一些肥皂水,肥皂水的体积是基本恒定的。当我们吹入空气使泡泡的表面积变得更大,自然泡泡的厚度会变薄。进一步解释就是,一定会有更多的水分子从内部来到表面,而这个过程是内部分子所不情愿的,因此会带来能量的升高。那么,表面每扩展单位的面积带来的能量升高是多少?这个数值正是比表面能

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图7 表面的增大伴随肥皂泡变薄

我们曾经提到比表面能的单位是J/m,而将这个物理量从力的角度去理解对于处理一些问题更加直观,我们常常将比表面能称为表面张力。而J/m = N/m,并不是力的单位N,因此表面张力代表的是作用在单位长度的表面上的力。在下图所示的实验中,肥皂水膜在力F的牵拉下长大,表面张力便是

其中,分母上的2来自于正反两侧都有表面的产生。

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图8 表面张力实验示意图 | 图片源于【1】

那么表面张力的方向是什么呢?我们同样类比重力、弹力等力。简单回顾不难发现,如果将表面张力理解为单位面积形变引起的能量升高,那么对应的力应该指向使得能量降低的方向。对于表面张力,自然就是沿切线使得表面收缩的方向。

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