表面张力单位(液体表面张力是什么意思)

电影在生活中看多了，大家都很熟悉。水滴和肥皂泡的表面是常见的“薄膜”。但是你了解膜背后的理论吗？今天我们就来改善一下姿势，学习一下“膜”的力量——表面张力。

首先，什么是表面张力？

为了解释表面张力，我们必须首先进入微观世界，看看那些液体分子是如何相互作用的:

现在让我们选择液体内部的一个水分子，对，就你，最可爱的一个:

无论你朝哪个方向看，你都能看到所有水分子的密度都是一样的，所以对它来说吸引力和压力是平衡的。

现在，让我们用空气体代替上半部分的水:

假设上下两部分压力相同(第二节将引入不同的压力)，由于空气体对水分子的吸引力小于水分子之间的吸引力，位于表面的水分子将被强制进入液体，部分水分子将被拉入液体，表面层的水分子开始变得稀疏，直到吸引力降低到接近空气体并趋于平衡。表面水分子之间的距离大于r0，因此引力占优势:

表面张力是液体表层水分子之间的吸引力(不是将水分子垂直于表面的力)。这个力使液体表面看起来像一层紧密的橡胶膜。表面张力系数σ的第一个定义是:作用在单位长度液体表面上的张力的大小，单位为N/m。

具有“橡胶膜”一般特征的肥皂水液膜。一侧被刺破后，另一侧在表面张力的作用下迅速回缩。由Jubobroff录制

垂直于液体表面的拉力使表面的水分子具有势能，称为表面自由能(在不引起混乱的情况下可以简称为表面能)。当你克服表面张力扩大液体的表面积时，实际上是做功把一部分原本位于内部的水分子提升到表面(相应的，减少表面积可以对外做功)，于是就有了表面张力系数σ的第二个定义:单位面积的表面能，单位J/m2。

这两个定义是等价的。下面我们通过分析表面张力，或者通过液体“希望”自己表面能最小的角度，也可以得出同样的结论。

为什么膜如此弯曲？

如果接口两侧有气压差，膜片会弯曲以平衡气压差，气压高的一侧会使膜片向气压低的一侧凸出，这就是吹气泡的原理。

什么，谁不知道吹泡泡的原理？那么请解释一下，当一大一小两个肥皂泡用管子连在一起的时候，为什么小泡往大泡里吹气？

记录者:低俗化

这个现象很容易用表面能来解释:在表面张力系数不变的情况下，一个大气泡的表面积小于两个小气泡的总表面积。如果要从力的角度解释，就需要推导出弯曲界面两侧的压力差(杨氏-拉普拉斯公式)。这里有一个简单的推导:

假设薄膜向X方向弯曲，曲率半径为R，表面张力F=σdy，sinθ≈dx/r作用在微小长度dy上，作用在球体上的合力为Fsinθ=σdxdy/r(每边的力没有乘以2，因为是由相邻两个面元分担的)，这个力被压差平衡，除以面积dxdy就是σ/r。由于球面在X和Y两个方向都是弯曲的，所以球面内部的压力比球面外部的压力高2σ/r(对于肥皂泡，因为有两个界面，所以要乘以2)。

这可能意味着膜弯曲得越多，合力向下的分量越大，表明压差越大。因此，当外界气压相同时，气泡半径越小，内部压力越大，使得空气体从小气泡流向大气泡。

当半径为零时，需要一个无穷大的压差。这个结论看似无用(因为实际膜必须有一定的厚度)，但如果由空(或者由纯蒸汽凝结成水滴)从纯水中产生气泡，这个性质确实会阻碍气泡(或者水滴)的产生，这也是为什么超纯水可以高于沸点而不沸腾的原因。但只要有哪怕一点点杂质，就会打破无限压差的需求，立刻产生气泡。气泡室就是基于这个原理来探测微小粒子的。

相应地，过冷蒸汽在冷凝点以下不会冷凝。基于这个原理，可以制作一个云室，使带电粒子出现。阅读更多:高考:物理

制造一个大泡沫——它是怎么破的？

我想吹一个大泡泡，但是为什么拉长了就容易破？

记录者:ExtremeBubblesInc

这种现象被称为坪-瑞利不稳定性。当我们在柱的界面上加一个波长为λ的扰动时，截面上的曲率变化rx会促进柱的分裂，而纵剖面上的曲率变化ry会阻碍分裂，并且后者的作用会随着λ变长而减弱。

定量的结论是波长大于圆柱体直径的扰动会被不断放大，导致圆柱体断裂。不仅长气泡容易破碎，原有的连续细水流在下落过程中受到扰动也容易破碎，形成一系列小水滴。很多人研究这种现象，但不是为了吹泡泡，而是为了设计喷墨打印机。

水龙头流出的水柱(摄影师:LePtC)

亲水、疏水、接触角

除了气体和液体，现在我们又增加了一个新的角色——固体表面。玻璃的表面对水分子的吸引力很大(虽然玻璃的主要成分是二氧化硅，但由于化合价不饱和，其表面通常结合了很多羟基)。如果水滴接触的界面是玻璃，就会出现与空气体相反的情况:接触面上的水分子比平衡时更拥挤，表面张力膨胀，表面能为负。整个水滴都会希望与玻璃的接触面积越大越好(与空气体的接触面积越小越好)，形成特定的接触角θ。角度越小，固体表面的亲水性越强。

亲水性是处女座的噩梦:水不干净，粘在墙上，倒的时候溢出来，等等:

烦人的茶壶效应。图片来自一篇获得搞笑诺贝尔奖的论文。

那么就需要疏水性来拯救世界。除了空气体分子，水分子对非极性的碳氢化合物、油类、脂类都不是很感兴趣。此外，粗糙化表面还可以增加表观接触角(卡西定律)。雨具，自清洁玻璃，防止随地小便的涂层都用疏水材料(阅读更多:酷炫动感电影(27):水桑，你走开！) 。

疏水材料甚至可以被水面支撑——如果表面的“膜”没有被破坏的话。格兰特·汤普森录制的《随机之王》

零重力水杯

如果水滴遇到的亲水物质不是平面而是一个细管或狭缝，就会看到毛细现象。

至此，我们有三种方式解释这一现象:①水想增加与玻璃管内壁的接触面积，直到消耗的表面能不足以补偿重力势能；②固液接触面的负张力将液体向上拉；③内凹的液面会降低液体中的压力，外界的气压会把液体向上推。三种方法都可以得出相同的结论，下图给出了第一种方法。

利用毛细现象可以做出永动机吗？当然不是。这个问题在这个松鼠会的文章里已经解释过了。)

从公式中可以看出，当g=0，h=∞时，液体在失重状态下会无限上升，直至充满整个玻璃管。其实也不一定是封闭的吸管。制造锐边也能让液体无限上升:

这是一个国际空电台的演示。原视频来自:collectSPACE。完整的视频和解释在这里进行。

如图，当角度φ< 90°-接触角θ时，形成的液体表面呈凹形，可降低缝内压力，因此外界气压会将液体压入边缘。

利用这种结构，NASA发明了一种可以在零重力环境下使用的咖啡杯。在毛细现象的作用下，液体不会到处跑，可以自动输送到人的嘴里。今天，最新的杯子是这样的:

宇航员谢尔·林德格伦的品尝图。

这个杯子是3D打印出来的。想要一个吗？制造这个杯子的公司在kickstarter上出价1500美元购买原来的杯子...用模具生产玻璃版的成本会低很多，只有35美元——然而这次众筹并没有成功...(嗯，我选择继续吸吸管...)

其实在地球上也可以观察到类似的现象——那些袋装的辣条之类的小零食，总是在袋口有很多油(此处感谢Chihuo @donizyo的提议)。通过实验，塑料袋虽然不是很接近水，但是对油有很强的亲和力:

塑料袋上油滴(左)和水滴(右)形成的接触角。由LePtC拍摄

这个实验使用一个迷你塑料袋来收集邮票。水注入袋中后，膨胀成馒头状，并没有涨起来的意思。

自来水被倒进塑料袋里。由LePtC拍摄

换成油后，我很惊讶。这货跑得比谁都快。即使袋口大开，仍然有油一直爬到袋口:

往塑料袋里注入食用油。由LePtC拍摄

NASA的第一代零重力杯诞生于2008年。他们这么晚才发明这个东西。肯定是因为国外没有辣条...