什么是表面张力
1629年表面张力这个概念第一次出现,托马斯·杨在1805年第一次明确提出表面张力概念。皮埃尔-西蒙·拉普拉斯在1806年、西莫恩·德尼·泊松在1830年及约瑟夫·普拉泰奥从1842年到1868年对表面张力的理论做出巨大贡献
。表面张力是液体表面的重要特性,与生产和生活关系密切。如矿浆的表面张力值对煤泥浮选有一定的指导意义
;改变表面张力系数,可调整熔池的流动行为,提高焊接质量
;研究液体表面张力对远射程风送式喷雾机外部流场中雾滴特性的影响,可为提高远射程风送式喷雾机的喷雾效率提供参考依据
。
液体表面张力即液体分子之间的内聚力使得液体表面上存在着一种应力。它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力。水等液体会产生使表面尽可能缩小的力,这个力称为“表面张力”。清晨凝聚在叶片上的水滴、水龙头缓缓垂下的水滴,都是在表面张力的作用下形成的。此外,水黾之所以能站在水面上,也是由于表面张力的作用。
参考资料
1.(日)大井喜久夫,(日)大井操,(日)三轮广明等文;(日)黑须高岭绘;程亮译;吴宝俊审校,力学原来这么有趣! 一本拿起就放不下的力学启蒙书,现代出版社,2016.05,第82页
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3. 何林基,张天雷,徐刚. 表面张力对激光深熔焊熔池小孔的影响[J]. 轻工机械. 2021,39(04):51-55.
4.宋勇.液体表面张力对远射程风送式喷雾机雾滴特性的影响[D]. 广东:华南农业大学,2019.
都知道滴溜溜的露珠是表面张力凝聚起来的水,那么,什么是表面张力?
狭义地说,以水为例,每个水分子都以种种作用力与周围的水分子相互吸引,这使水凝聚起来,成为液体;但是水面上的水分子没有完整的周围,它们只能和水面下的水分子强烈吸引,而与空气吸引很弱,结果在水与空气的交界上形成了一股指向内部的合力——就是表面张力。
表面张力指向内部,总是倾向于收缩液体,更准确地说,是减小液体的表面积,荷叶上的露珠因此总是聚成球形。不同液体分子间的作用力强度不同,所以表面张力也不同——水分子之间有强大的氢键,所以表面张力格外强,理想状态下,纯水在空气中的表面比钢材还耐拉,只因日常的水含有大量杂质,才会一跌就破。
尽管如此,水的表面张力仍然能给动物们带来很多麻烦——我们从游泳池里出来,体表会沾上大约体重1%的水滴,几乎感觉不到它们存在,而对于草丛中的小昆虫来说,一旦全身陷入水中,就要冲破尼龙绳网般的表面张力才能脱身——凭它们微小的肌肉,这几乎不可能。
于是,昆虫为了躲避这种困厄,大多进化出一种独特的结构:它们的外骨骼总是非常光滑,覆盖了薄薄的蜡质,有些还布满了微小的绒毛和凹坑,有效增大自身表面积,使水滴不能将它们浸润,也就不能用表面张力将它们拖入水中了。
还有一部分昆虫则专门利用水在空气中的表面张力。“凌波微步”这个成语说的就是水黾能踩着水面上的那层分子迅速移动;豉甲更加敏捷,它们凭着腹部的绒毛和蜡质能像汽艇一样在水面高速游动,二者的食物都是水面上那些被表面张力困死的昆虫尸体。龙虱索性仗着无法浸润的体表钻到水面以下,那层空气薄膜就成了它们的氧气罐,维持它们在水下呼吸。
在这里,我们就将这种不能被水浸润的表面特性,叫做疏水性,它实际上反映了液体、气体、固体三者之间的关系:液体滴在固体表面,周围充满气体,那么三者相接处的夹角就由它们两两之间的界面张力决定,其中,固体和液体之间的张力越大,这个夹角就越大——这反映了材料自身的性质,油脂、蜡质总是不能与水吸附,就是因为这些物质与水的分子间作用力很弱,界面张力很大。
而那些凹坑和绒毛的结构就比较粗暴:它们直接在材料表面困住了大量的空气,将一部分固体液体界面转化成液体气体界面,极大增加了那个夹角,使得水滴无法再坍成薄膜,会立刻滚成圆滚滚的露珠,很容易滚落下来,荷叶就用这种方法出淤泥而不染,我们又模仿这些生物材料,研制出了许多更加强力的超疏水材料和涂料,在工业和民用中都有广阔的前景。
参考文献:
混乱博物馆.什么是表面张力[EB/OL].(2017-09-15)[2022-03-21]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/29379347?ivk_sa=1024320u
在进行实验时,需要先使升降台上升,当吊环下边沿完全浸入到水中后,再使升降台下降,使吊环的下边沿提拉起一层液膜,继续使升降台下降,直至液膜破裂。
在此过程中,观察以下关键位置,并记录数据:
吊环没有接触到水面时,电压表的数据是多少?
吊环刚刚接触到水面时,电压表的数据是多少?
继续使吊环入水,电压表的数据怎样变化?
吊环下边沿完全浸入水中后,开始反向旋转升降台,电压表的数据怎样变化?
继续按刚才方向旋转升降台,直至拉断液膜,电压表的数据怎样变化?
液膜断裂后,电压表的数据是多少?
对以上过程的数据,以时间作为横轴,电压数据作为纵轴,进行作图,并由力敏传感器受力公式分析数据变化的物理原因。