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      1. 液體的表面張力

        2024-03-11 09:10:35

        表面張力,從字面上理解就是作用于表面的張力,這樣理解也是正確的,但是呢,比較表面。


        如果將我們的認識只停留在這個層面,那么這樣就容易流于淺薄。


        下面我們一步一步的從表面深入到內部來理解表面張力的這個科學技術概念。




        液體總有一種趨勢,趨向于成為球狀,如水銀球和荷葉上的水珠那樣。


        體積一定的幾何形體中,球體的表面積最小,一定量的液體由其他形狀變為球形時伴隨著表面積的縮小,所以液體表面有自動收縮的趨勢。


        所以才有“液滴”這個詞匯,還沒有“氣滴”、“固滴”這樣的詞匯。


        所有的詞匯一定有背后的道理,而且還不止一層。


        把液體做成液膜,為保持表面平衡,就需要有一適當的與液面相切的力 f 作用于寬度為 l 的液膜上,平衡時必有一個與 f 大小相等方向相反的力存在,如下圖所示,這就是表面張力,單位為 N/m。

        圖片

        它被表達為

        垂直通過液體表面上任一單位長度與液面相切的收縮表面的力


        因為它的單位為 N/m,所以我們理解它的名字叫表面張力,從這個名字上,我們可以理解它的很多用途,比如上面提到的收縮力。這個理解是最通用的,所以我們不再贅述。


        2


        表面張力也可以看作是表面自由能,膜收縮時可以做功,產生新表面時需要能量,就是說有自由能,這時表面張力的單位也可以寫成 J/m2,它等于產生新表面每單位面積所需之功。


        表面張力的這個意義更具本質性,更接近我們涂料人的價值,我們涂料人就是在使用能量產生新的表面。


        有時從這個角度來理解表面張力,對解決某些問題是更方便的。


        3


        下面我來講表面張力的第3個層面的意義,這個可能更深刻。


        我們都知道,表面張力是由于液體表面的分子,受到的力不平衡而產生的。那么為什么有的液體表面張力很小,而有的液體表面張力很大呢?


        上面這個問題,其實我們都知道,是因為分子的結構,分子的極性造成的。當表面張力很高時,那么形成新的表面需要的能量也多,那么反過來我們理解,如果這個形成了表面的液體再重新形成液體時,那么它的內聚能也比較大。


        上邊的這個意思總結成一句話就是說表面張力和液體的內聚功成正比。內聚功,反映液體自身結合的牢固度,是液體分子間相互作用力大小的表征。


        上面這個例子我們可以理解,比如說,水表面張力比乙醇高很多,所以水的內聚功是很大的。


        在下面這個例子中,沾水之后的兩片玻璃,如果用乙醇代替了玻璃中間的水,那么由于乙醇的表面張力小,也就是乙醇的內聚功小,這個整體結構的緊密程度就大大的降低了。

        圖片



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