表面张力
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表面张力(英语:Surface Tension)在物理上的狭义的定义是指液体试图获得最小表面位能的倾向;广义地说,所有两种不同物态的物质之间界面上的张力被称为表面张力。表面张力的因次是,常见单位是或,亦即,单位长度的力或单位面积的能。[1]表面张力最常见的例子发生在液体与其他物质的接触面。以水为例,水的表面张力来自于由凡得瓦力所造成的内聚力。当固体,如水黾,跑到水上时,表面张力会尽可能将水面维持平整的状态,以达到最小表面位能。如果水黾的重量维持在限度以内,那么水面将只会有少许凹陷,这就是水黾能够在水面上活动的原理。
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表面张力会随液体的不同而改变。常见的科普实验是在一盆水中滴入一些密度低于水的界面活性剂,再把一艘小船放在界面活性剂与水面的交界处。因为界面活性剂的表面张力小于水的表面张力,所以水的表面张力会把小船推向界面活性剂的方向或拉往水的方向[2]。
在材料科学里,表面张力也称为表面应力和表面自由能。
表面张力系数σ(sigma)单位为N/m,表面张力系数在热力学的广义定义为:表面张力系数σ是在温度T和压力p不变的情况下吉布斯自由能G对面积A的偏导数:
有几种变因能显著改变表面张力系数:
- 液面性质(种类、纯净度等):一般密度小而易蒸发的液体之表面张力系数会比融化金属更小,液体中的杂质能显著的影响液面的表面系数
- 温度:同一种液体的表面张力系数随温度升高而减少,当纯液体与他的蒸气平衡时(即蒸发与凝结的可逆反应为平衡状态)时有:
- σ =σ0+βt
其中σ0是液体在0°C时液体的表面张力系数,β为随着液体而异的常数,也因此在使用烧红的针能更好的戳破肥皂泡膜。
而表面张力大小与表面张力系数σ和分界线的长度L成正比,即
- 'f = σ'L
吉布斯自由能的单位是能量单位,因此表面张力系数的单位是能量/面积。