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如何理解“表面張力”這一概念?

來源:表面活性劑網 瀏覽 1115 次 發布時間:2024-01-02

要理解表面張力需要深入理解“相”這個概念,在物理化學里,簡單地說,相就由均勻物質組成,擁有均勻的物理與化學性質。不同相之間就會用相界。表面就是相界的一種,再簡單說就是兩個“區域”邊界(境)線。我們很容易理解,邊界線的性質和意義,肯定是和邊界內部的是不同,尤其是在科學領域,因為這個領域特別講條件,所定義的條件也是絕不模棱兩可,這就使得邊界部分比較特殊,它的特性可能符合邊界左邊,也可能符合邊界右邊,也可能都不符合。所以表面科學呼之而出,它在物理化學領域通常要單獨討論。


表面張力就是因為表面(相界)兩邊分子間作用力不同而引起的,為什么會不同呢?因為是不同的相,就比如氣液(水)兩相,一邊分子密度大,一邊分子密度小,所以交界面上的分子,在水一側就可能受到更多的作用力,比如氫鍵,整體效果就是,這個“更多的作用力”使得液體有種自發的傾向,要把自己的收縮起來,縮到能平衡掉這部分多出來的作用力。


一、什么是表面張力


表面張力是使液體表面收縮的一種力,是表層分子之間相互吸引產生的。分子間力稱為范德華力,同時包含吸引力和排斥力。當液體不受外力時,內部分子間也處于平衡的不受力狀態,即吸引力和排斥力相等,分子們靠近一點就體現出排斥力,遠離一點就體現出吸引力。而在液體表面上,經常有些能量高的分子掙脫了其他分子的吸引力而逃脫,這就是液體的氣化。在這種作用下,液體表層分子間的距離比內部分子間的距離更大一些,分子間體現為拉力,這就是表面張力。表面張力的存在使液體表面趨向于面積最小,使液滴傾向于呈球形。這下明白為什么水滴是球形的了吧,其原因就是因為表面張力,要是沒有表面張力,那水滴的形狀千奇百怪,可能是方的,三角形、橢圓形等等


二、對表面張力的理解


表面張力的大小取決于液體的性質和環境條件。一般來說,表面張力隨著液體的分子間吸引力增強而增加,隨著溫度的升高而減小。簡單粗暴理解,表面張力越小的液體,越容易被“侵犯”,表面張力越大的液體“越犟,不容易被侵犯”,表面張力的這種特性,在生活中有很多應用。


1.清潔劑和肥皂:在洗滌過程中,清潔劑和肥皂能夠降低水的表面張力,使其更容易滲透到污垢和油脂中,從而更有效地清潔物體表面。


2.水滴形狀:表面張力使得水滴呈現球形。這是因為表面張力使得水分子在表面上相互吸引,使得水滴盡可能小,從而減小表面積。


3.吸水紙的作用原理:毛細管現象是表面張力的重要應用之一。當將一根細小的管子(如玻璃毛細管)插入液體中時,液體會上升或下降到比容器中液體水平更高或更低的位置。這是因為表面張力使液體在細小管道中形成了一個上升或下降的力。

玻璃板上的水銀滴基本上呈球形,這是因為水銀滴外表面薄層內所有分子都處在高勢能狀態。計算表明,如使分子總勢能為極小,則表面必定呈圓球形。如果設法消除重力的影響,例如把液滴放在比重相同又與液滴不起化學反應的另一種液體中,或在真空中自由下落,或在失重的人造衛星與火箭的環境中,則液滴將呈現理想的球形。球面形的肥皂泡,荷葉上的球形露珠,也可以用相同的道理來解釋。



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