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水的表面张力

表面张力是一种特殊的力，它是液体（纯净液体、溶液）性质的一种表现．从微观上看，表面张力是因液体麦面薄层（约10-9米，并非几何面）内分子间的相互作用，它不同于液体内部分子间的相互作用，从而使液体表面层具有一种特殊性质．表面张力是分子力的一种宏观表现，在内聚力的作用下，表面层液体分子的移动总是尽量地使表面积减小．在液体表面形成一层弹性薄膜，这样便出现了表面张力．表面张力起源于分子引力，从其作用效果来看，它属一种拉力．

不同液体表面张力不同，是由于它们有不同的摩尔体积、分子极性和分子力．分子间作用力越大，密度越大，越不容易蒸发的液体，其表面张力越大，比如：水分子是由氢键缔合的，因此水的表面张力较大．液态汞原子是由金属键缔合的，其表面张力更大．一般液体表面张力系数约为40×10-3N／m左右．

液体能否浸润固体，与其表面张力有关．表面张力系数小者（30×10-3N／m左右），几乎能浸润一切固体；水的表面张力系数较大．它只能浸润某些固体．汞的表面张力系数更大，则仅能浸润某些金属．

表面张力系数是表征表面张力大小的物理量，是讨论液体表面现象、了解液体性质的重要物理参量．它与温度、压强、密度、纯度、气相或液相组成以及液体种类等有关，通常，密度小、容易蒸发的液体其表面张力系数较小．液氢、液氦的表面张力系数很小，汞则很大．

1、液体表面具有收缩趋势的微观解释

从力的角度分析：由于液体表面层分子显著地受到液体内部分子引力的作用（这其间也存在着分子斥力，只是分子引力占了优势）．表面层外气体或其它液体分子的作用很小．于是，表面层内分子受力上、下不均，所以表面层分子仅受到了一指向液体内部的合引力，这一引力导致了表面层分子有向液体内部运动的趋势，宏观上便表现出液体表面具有自动收缩的趋势．

从能量的角度分析：由于液体表面层内出现了一个指向液体内部、自液面而下逐渐增强的分子引力场．液体分子由液体内部进入分子引力场，需要外力做功，其分子势能将增大（类似重力场中举起重物），而液体分子由表面进入液体内部，其势能会减小（类似重力场中下落物体）．因任何物体的势能总有减小的倾向，以便使其稳定（势能最小原理），所以表面层的分子总想进入液体内部以获得“安稳”，从而使表面层分子的总势能尽可能减小．这一趋势宏观上使表面积趋于减小，即液面具有自动收缩的趋势．

2、表面张力和分子引力联系的解释

众所周知，表面张力及其形成和分子引力有着密切的关系．那么，与液面共面相切的宏观力——表面张力，和垂直液面指向液体内部的微观力——分子引力合力，二者的联系如何理解？

如前所述，液体表面层的分子因受到指向液体内部的拉力——分子引力的作用．表面层分子总要尽可能地向液体内部钻．这样一来，宏观上整个液面就会处在一种张紧的状态，表面上出现张力，即和液体表面共面且相切的表面张力．分子引力、表面张力的联系可用下面的事例说明类比：一直位于水平面上的小车，通过一个定滑轮在垂直向下的拉力作用下，该车上便会有一沿水平方向的力．分子引力和表面张力的关系是：前者为因，后者为果

3、表面张力和温度的关系

表面张力一般随温度升高而减小，因为温度升高，分子热运动加剧，液体分子之间距离增大．相互吸引力将减小，所以表面张力要相应地减小．到达临界温度（物质以液态形态出现的最高温度）时，表面张力减小到零．通常表面张力和温度的关系成一直线；也有的表面张力虽随温度增加而减小，但不是直线关系；有的二者关系则更复杂．表1是不同温度下水的表面张力系数值．

表1（第二行数值均乘以10-3）

4、表面张力和表面接触物质的关系

表面张力和液体表面接触的物质有关．通常不说明接触物质的表面张力值，是液体和该液体的饱和蒸汽或含有其饱和蒸汽的空气接触时的数值．如果接触的物质是别的气体或液体，那么表面张力将发生变化，这有点类似于物体间的动摩擦因数，如木块与铁块，木块与冰块之间的动摩擦因数就不一样·表2是20℃下水与不同物质接触时的表面张力系数值．

表2

5、表面张力和杂质的关系

纯净液体中溶有不同种类的物质时，由于溶液中部分溶质分子进入到溶液的表面层．如此，表面层的结构将变化，分子组成将会改变，分子间作用力也会随之发生变化，所以表面张力将改变．如：水中溶入酸、酯等物时，其表面张力（系数）相对纯水会减小，并随溶液浓度增加而渐小（20℃下，水中溶有肥皂，表面张力系数将从72.75×10-3N／m，减至40×10-3N／m）；水中溶入食盐、蔗糖等物时，表面张力（系数）则会稍稍变大，且随浓度加大而逐渐增大．

纯净液体的表面张力系数和液体表面的大小无关，但有时表面张力系数也和表面的大小有关，溶解了活性表面物质的液体（如肥皂水）便是如此．

水的表面张力：
一切物质分子间都存在吸引力：同一种类物质分子间的吸引力称之为内聚力；不同物质分子间的吸引力称之为附着力。在流体力学中，水分子是在不断作布朗运动的，水分子间互相存在吸引力，分子间的距离越小，吸引力就越大，这就是水的内聚力。水分子的这种内聚力在水表界面上的作用就使得水表界面(其厚度只有水分子直径的数量级)自动收缩的现象称为水表张力。但是，浮漂(固体)周围表面和水(流体)接触之间存在着的吸引力，则是两种不同物质的吸引力——即附着力。附