如何理解液體表面張力?

在確定的條件下,水的表面張力是一個定值。但是輕輕的滴一滴水滴在荷葉上和在普通桌面上的形態不一樣?或者說不同材質的衣服上濺了水,但可能是完全不同的水滴效果,怎麼理解這個問題,怎麼理解液體的表面張力?


先理解界面能,從能量的角度,也就是熱力學的角度出發,很多問題理解起來是系統性的。

首先,物體的表面是缺陷!

試想一下,一種物質內部,結構井然有序,但是在表面,最外面的原子或分子卻暴露在外部,再上面再也沒有小夥伴一起玩耍,只能和下面的夥伴玩耍,所以,表面最上層的原子或分子,必定與內部其他原子有所不同,內部有部分不合規矩的原子造成的是小缺陷,但是在表面的所有原子都不合規矩,所一,表面是大缺陷!造成大缺陷是需要能量的!所以說:表面原子比物質內部的原子具有更多的能量,因此,根據能量最低原理,原子會自發的趨於物質內部而不是表面。表面能的另一種定義是,材料表面相對於材料內部所多出的能量。

表面張力,是表面能的力學表現,就像重力是重力勢能的表現,就是求一下偏導而已。

分手的理由,我們在一起不合適!

當最上面一層分子或原子與其他物質接觸時,與其他物質的表面的分子或原子玩耍過程,造成了表面能的不同,表現為表面張力不同。你想想,當你和你的小夥伴一起玩耍時,是不是感覺自在,沒什麼壓力,但是,當你和你的老師或父母一起玩耍時,是不是不自在,有壓力。對,就是這兩層分子在一起玩耍時,能不能自在!!!越是不匹配的,大原子半徑的和小原子半徑的在一起玩耍,不自在,不匹配,表面能大,不想和它們相處,於是就想往裡縮!!找自在的地方。比如,一粒水滴落到塑料上,TM都是不匹配,不想打交道的分子,於是都往裡面縮,水滴很鼓,很生氣。但是遇到和自己匹配的物質的表面,都躺展了!!!就是賤。

理解了不同物質的分子或原子結構,再來考慮表面張力就不難了,水分子討厭荷葉的表面(分子結構不同,電子結構不同,不匹配),於是都不想當表面,於是水滴很鼓。

水分子如果遇到喜歡的分子,必定躺展!!這就是為什麼水滴的形態不一樣,就是雙方表面的分子互相接觸,如果沒什麼衝突,就躺展,如果衝突,就變鼓。 所以以後看到荷葉上的露珠,你該想想,水珠是多麼不爽荷葉,都氣鼓了!!

自然界沒有人那麼虛偽,人會與不喜歡的人交流,會在一起聊天喝酒,假裝很好,但是自然界,不喜歡,不匹配,就是赤裸裸的減少接觸,減少表面接觸的面積,讓能量達到最低,一種原始的美感,讓人感動。


表面張力是個定值是在很多限定條件下才成立的,表面張力的定義和概念就不多提了,來說說如何更好的理解液體的表面張力。

首先

表面張力存在於,比如非常小的細管內的毛細現象,比如肥皂泡以及涉及液體與固體之間的浸潤與非浸潤的情況等。來一一說明

1.在溫度一定時,不同液體的表面張力會不同

比如下面表格在10攝氏度時不同液體的表面張力差異很大

2.同種液體,在不同溫度時表面張力會不同

比如下面表格溫度越低表面張力越大

3.表面張力的測量往往選取最大值

由於距離不同表現出的表面張力也不同,因此測量往往取最大值,也就是右方圖中的Fmax

4.接觸角

在在三種介質的邊界面相交於一點的情形中,接觸線受到三個不同邊界面的表面張力,為了維持平衡,表面張力的合力在這些方向上的分量必須等於零,這就要求三個邊界面交成一定的角度。

由於接觸角的不同浸潤與非浸潤的情況就可以解釋題主所說的完全不同的水滴效果

常見的有下圖三種情況

當角度&>160度時就出現了蓮花效應(
lotus effect)

希望此回答幫助題主更好的理解了液體的表面張力!


表面張力的實質是液體界面的分子間作用力,而浸潤與不浸潤的區分取決於固液兩相之間的分子間作用力相對大小


液體表面張力應該是氣液臨界面的力學現象吧。

衣服上濺了水,沒有一個完整的臨界面,更多是纖維對液體的吸收?

已經完全還給老師了......


上面大大們已經講了很多很詳細,我就講講我對王洪偉的《我所理解的流體力學》裡面對表面張力的理解:

在液體內部的每個分子都在每個方向都受到鄰近分子的分子力(吸引力和排斥力,以吸引力為主),使液體內部分子各方向受到的力的合力為零。但是在液體表面,一側為水分子、一側為空氣,使液體表面層分子在各個方向受到的力的合力不再為零,且合力方向指向水珠內部,這個合力這就是表面張力。

表面張力的特性就是使液面趨於最小(大家都被拉著嚮往內部擠)。


一句話就是:微觀層面上水分子間的引力導致宏觀層面的表面張力


從宏觀角度來講,在衣服上或者桌面上水滴的形態取決於兩個因素,尺度和接觸角。水滴越小,表面張力效果越明顯,水滴和空氣接觸的部分也就越接近球形。接觸角是水滴自由表面切向和固體表面之間的夾角,同樣是一個定值,由兩個界面的屬性共同決定。這個角度決定了水滴靜止時的形狀。

可以看看這個視頻,對這個問題會有幫助:http://graphics.berkeley.edu/papers/Clausen-SLS-2013-04/clausen-simulating-liquids-2013.mov


水面的張力

高中物理剛開始接觸到水的張力這個概念很是懵。定義說的大概是:由於分子間作用力,這個作用力與分子間間隔呈一定關係,而這個作用力是分子間引力。由於水表面和其上當分別表示的是液態水和氣態水,那麼這兩個狀態必有一個臨界面,這個面的水分子間間距介於液態水和氣態水之間(間距比液態水小,比氣態水大)所以液態水就對其表面形成強吸引力。又由於地球對水的引力,這個『力"的作用效果就像是貼附在水表面。是不是想不出來這是一種什麼樣的效果?我來張圖吧(看圖就好)。


朋友們,解釋這個問題的原因是:表面張力應該準確表達為是A對B的表面張力。通常所說的水的表面張力數值是水對空氣或空氣對水的值。顫抖吧!


水滴為什麼能保持球形?表面張力。

而表面張力是什麼?是怎麼來的呢?有什麼意義?

帶著這三個問題,通過相關資料,我想到了一個形象的例子。我們對橡皮筋十分熟悉,拉一拉橡皮筋手會感到一個收縮力,由此我們聯想,橡皮筋合成的一塊面往平面所有方向同時拉一拉,是不是平面每個方向都有個收縮力,那橡皮筋面疊加而成的橡皮筋體,如果往空間所有方向拉一拉,會不會空間每個方向都有個收縮力?肯定的。

那為什麼水滴是球形呢? 接下來就要建立表面張力的概念了,表面指的是分界面,分界面一般只有幾個分子直徑的大小,並且分子排列比較稀疏,對於一般的水氣分界面來說,分界面以下內部的水分子排列緊密,對分界面有個拉力,而分界面以上外部的氣體對分界面的拉力十分微弱,從而產生了一個向下的力,使得分界面有收縮的趨勢,即水表面是跟橡皮筋類似的彈性膜,使得空氣中的一滴水由於各個方向受到收縮力的作用而有收縮的趨勢,而數學幾何里知道一定體積下,球體的表面積最小,從而水滴會被縮成球形,從而受到最小的力,達到穩定狀態。

簡潔一點就是:液體與氣體接觸時形成一個表面層,液體表面層分子稀疏而液體內部分子密集,從而表面分子受到內部分子吸引作用,表層好似張緊的膜,具很好的收縮功能,最大縮小它的表面積以達位能最小,球形在一定體積下具有最小面積,因此在表面張力作用下縮小表面積的水滴則盡量保持球形。

表面張力應用很廣泛,洗滌劑等表面活性劑就是根據表面張力的研究開發出來的。

據此表面張力原理我想到了如果把分界面內部的水替換成土顆粒那不就可以比較好的理解非飽和土力學的基質吸力了嗎?想想都挺激動的,我能說我是晚上做夢夢到的嗎?

哈哈,雖然不是很好,但是有我的思想,我看行,嘻嘻!


潤濕角不一樣,物質對液滴親和性不一樣,表面張力不一樣,表面能也不一樣


1.先知道靜態水內部的力,在某一點力各向大小相同。

2.在水面的點,一側是空氣一側是水,這個點受到的合力指向水。

3.若一滴水所有的接觸面上的合力都指向內側,便是球形。(荷葉上的水滴)

4.再考慮其他的力,重力,靜水壓力,動力,等等等等,體量大的液體就不怎麼考慮表面張力了。

5.總的來說表面張力就是一個力,不同分子間力的一個合力,在四大力裡面屬於電磁力。

歡迎指正。


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