表面张力

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表面张力是静止的液体表面收缩到可能的最小表面积的趋势。表面张力使密度比水高的物体，例如剃须刀片和昆虫（例如水黾）能够漂浮在水面上而不会被部分淹没。在液-气界面处，表面张力是由于液体分子彼此之间的吸引力（由于内聚力）比空气中的分子（由于粘附力）更大。有两种主要机制在起作用。一种是表面分子上的向内力导致液体收缩。其次是平行于液体表面的切向力。这种切向力通常称为表面张力。最终效果是液体表现得好像其表面被拉伸的弹性膜覆盖。但是这个类比不能走得太远，因为弹性膜中的张力取决于膜的变形量，而表面张力是液-气或液-气界面的固有特性。由于水分子通过氢键网络相互之间具有相对较高的吸引力，因此与大多数其他液体相比，水具有更高的表面张力（20°C时每米72.8毫牛顿(mN)）。表面张力是造成毛细现象的重要因素。表面张力具有每单位长度的力或每单位面积的能量的量纲。两者是等价的，但是当提到每单位面积的能量时，通常使用术语表面能，这是一个更通用的术语，因为它也适用于固体。在材料科学中，表面张力用于表面应力或表面能。

由于内聚力，远离表面的分子被相邻的液体分子在每个方向上均等地拉动，导致净力为零。表面的分子在它们的所有侧面都没有相同的分子，因此被向内拉。这会产生一些内部压力并迫使液体表面收缩到最小面积。由于水分子的内聚性，在液-气界面处还存在平行于表面的张力，该张力将抵抗外力。作用在相同类型分子之间的吸引力称为内聚力，而作用在不同类型分子之间的吸引力称为粘附力。液体的内聚力及其对容器材料的粘附力之间的平衡决定了润湿程度、接触角和弯月面的形状。当内聚力占主导地位时（特别是粘附能小于内聚能的一半），润湿性低，弯液面在垂直壁处是凸出的（如玻璃容器中的汞）。另一方面，当粘附占主导地位时（粘附能超过内聚能的一半），润湿性很高，并且类似的弯月面是凹的（如玻璃中的水中）。表面张力决定了液滴的形状。虽然容易变形，但由于表面层内聚力的不平衡，水滴往往会被拉成球形。在没有其他力的情况下，几乎所有液体的液滴都是近似球形的。根据拉普拉斯定律，球形使表面层的必要壁张力最小化。另一种观察表面张力的方法是用能量来表示。与邻居接触的分子比单独的分子处于更低的能量状态。内部分子有尽可能多的邻居，但边界分子缺少邻居（与内部分子相比），因此具有更高的能量。为了使液体的能态最小化，必须使高能边界分子的数量最小化。最小数量的边界分子导致最小的表面积。作为表面积最小化的结果，表面将呈现出它所能呈现的最光滑的形状（平滑形状最小化表面积的数学证明依赖于欧拉-拉格朗日方程的使用）。由于表面形状的任何曲率都会产生更大的面积，因此也会产生更高的能量。

由于表面张力表现在各种影响中，它提供了许多测量途径。哪种方法最佳取决于被测液体的性质、测量其张力的条件以及其表面变形时的稳定性。测量表面张力的仪器称为张力计。

• DuNoüy环法：用于测量表面或界面张力的传统方法。表面或界面的润湿特性对这种测量技术几乎没有影响。测量由表面施加在环上的xxx拉力。
• Wilhelmy板法：一种特别适用于长时间检查表面张力的通用方法。将已知周长的垂直板连接到天平，并测量由于润湿引起的力。
• 旋转滴法：该技术非常适合测量低界面张力。重相中液滴的直径是在两者都旋转时测量的。
• 悬滴法：即使在升高的温度和压力下，也可以通过这种技术测量表面和界面张力。光学分析液滴的几何形状。对于悬垂液滴，xxx直径以及该参数与距液滴顶点xxx直径距离处的直径之比已用于评估尺寸和形状参数，以确定表面张力。
• 气泡压力法（Jaeger方法）：一种用于确定短表面年龄的表面张力的测量技术。测量每个气泡的xxx压力。
• 滴体积法：一种确定界面张力随界面年龄变化的方法。将一种密度的液体泵入另一种密度不同的液体中，并测量产生的液滴之间的时间。
• 毛细管上升法：将毛细管的末端浸入溶液中。溶液到达毛细管内部的高度通过下面讨论的方程与表面张力有关。
• 石像测量法：称重和读取一滴液体的方法。
• 静滴法：一种通过将液滴放在基材上并测量接触角来确定表面张力和密度的方法（参见静滴技术）。
• DuNoüy–Padday方法：DuNoüy方法的最小化版本使用小直径金属针而不是环，结合高灵敏度微量天平来记录xxx拉力。这种方法的优点是可以以非常高的精度测量非常小的样品体积（低至几十微升），而无需校正浮力（对于具有适当几何形状的针或棒）。此外，可以非常快速地进行测量，最少需要大约20秒。
• 悬浮液滴的振动频率：磁悬浮液滴的自然振动频率已被用于测量超流体4He的表面张力。在T=0K时，该值估计为0.375dyn/cm。
• 球形和半球形液滴的共振振荡：该技术基于测量由调制电场振荡驱动的球形和半球形悬垂液滴的共振频率。可以从获得的共振曲线评估表面张力和粘度。
• 落弹法：该方法基于空气动力学悬浮和可拆分喷嘴设计。将稳定悬浮的液滴滴到平台上后，样品会变形并反弹回来，在半空中振荡，因为它试图最小化其表面积。通过这种振荡行为，可以测量液体的表面张力和粘度。
• 通过智能手机：一些智能手机可用于测量透明液体的表面张力。该方法基于测量已知频率的毛细波的波长。将智能手机放在装有液体的杯子上。然后智能手机的振动马达（通过杯子）在液体表面激发毛细血管波纹，这些波纹被智能手机的相机捕捉到。

• 从勺子中弹起的移动的水片破裂。
• 流动的水附着在手上的照片。表面张力在水流和手之间形成水层。
• 肥皂泡平衡表面张力与内部气压。
• 表面张力可防止硬币下沉：硬币的密度无疑比水大，因此它必须排出比其自身更大的体积，才能通过浮力平衡质量。
• 一枚铝币漂浮在10°C的水面上。任何额外的重量都会使硬币掉到底部。
• 一朵雏菊。整个花朵位于（未受干扰的）自由表面的水平面以下。水在其边缘平稳上升。表面张力防止水置换花瓣之间的空气并可能淹没花朵。
• 一个金属回形针漂浮在水面上。通常可以小心地添加几个而不会溢出水。
• 漂浮在水面上的金属回形针。灯前的格栅创造了“轮廓线”，显示了金属回形针引起的水面变形。