液滴、气泡和毛细现象

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简介

宇宙中的所有物质都由称为分子的微小粒子组成。它们彼此之间存在着某种吸引力。分子之间存在着分子间引力。根据分子间引力的强弱，物质可分为五类：固体、液体、气体、等离子体和玻色-爱因斯坦凝聚态。固体是分子间距离非常小，并且彼此紧密结合的物质。液体是分子间距离较小，并且结合比固体松散的物质。

什么是表面张力？

表面张力是液体的分子行为。液体试图收缩以获得较小的表面积。这种现象称为表面张力。

液体表面的分子被吸引到中心，以使其面积减小。分子之间存在向内和切向的力。分子之间作用的切向力称为表面张力。它有助于液体分子收缩。内部分子的合力为零，因为各个方向的力相互抵消。表面分子具有一定的合力。表面张力定义为单位长度的力或单位面积的能量。表面张力的单位为 $\mathrm{jm^{-2}}$。

$$\mathrm{表面张力(T)=\frac{力(F)}{长度(L)}}$$

表面张力的量纲公式为 $\mathrm{MLT^{-2}}$。

表面张力的一些实际例子

• 一些昆虫，如水黾，可以在液体的表面行走。由于它们的重量轻，所以不会穿透液体。

• 针或回形针的密度大于水。尽管如此，由于表面张力的作用，它们仍然漂浮在液面上。

• 冬天洗衣服时会用热水。因为热水的表面张力较低。所以它们可以更容易地湿润衣物。

粘附力和内聚力

液体分子之间存在两种类型的吸引力。它们是粘附力和内聚力。

• 粘附力 - 两种不同物质的分子之间发生的吸引力称为粘附力。通常，这种力用于将两个物体粘合在一起。墙壁上的油漆和面包上的黄油是粘附力的一些例子。

• 内聚力 - 同种物质的分子之间发生的吸引力称为内聚力。水分子之间存在内聚力，使它们结合在一起。

毛细管和毛细上升

液体在没有外力作用下通过狭窄空间流动的现象称为毛细现象。毛细作用是由于液体和周围固体表面之间的吸引力造成的。由于管道的直径很小，表面张力和粘附力结合在一起，使液体上升到管道中。植物各个部位的水分分布是由于茎的毛细作用。钢笔笔尖上的墨水溢出是由于毛细作用。

毛细上升的公式

毛细管内部液体的上升或下降称为毛细现象。让我们考虑一根半径为 r 的毛细管浸入液体中，液体在毛细管内的上升高度为 h。设液体的密度为 $\mathrm{\rho}$。表面张力是在毛细管和液体接触点处作用的切向力。它与毛细管壁成 $\mathrm{\theta}$ 角。作用在接触点的切向力分解成两个分量，水平方向上的 $\mathrm{T\:sin\theta}$ 和垂直方向上的 $\mathrm{T\:cos\theta}$。水平分量 $\mathrm{T\:sin\theta}$ 被表面所有分子的力抵消。因此，唯一的力是垂直分量。

因此，总向上的力为 $\mathrm{F=周长\times 力}$

$$\mathrm{F=2\pi r(Tcos\theta )}$$

向下的力为 $\mathrm{F=mg}$

g 是重力加速度。

$$\mathrm{密度(\rho )=\frac{质量(m)}{体积(v)}}$$

$$\mathrm{m=\rho V}$$

液体的体积为 $\mathrm{V=\pi r^{2}h}$

$$\mathrm{m=\rho \pi r^{2}h}$$

向下的力 $\mathrm{F=\rho \pi r^{2}hg}$

在平衡状态下，向上的力和向下的力相等。

$$\mathrm{2\pi r(Tcos\theta )=\rho \pi r^{2}hg}$$

$$\mathrm{2Tcos\theta =\rho rhg}$$

$$\mathrm{T=\frac{\rho rhg}{2 cos\theta }}$$

这是表面张力的表达式。

什么是液滴？

完全被自由表面包围的小液柱称为液滴。当液体允许聚集在管道的下端时，就会形成液滴。蒸汽凝结也会导致液滴的形成。将液滴分成两半，由于表面张力产生的向上力为

$$\mathrm{F=P\pi r^{2}}$$

在表面圆周上作用的相等且相反的向下力为

$$\mathrm{F=T(2\pi r)}$$

在平衡状态下 $\mathrm{P\pi r^{2}=T(2\pi r)}$

$$\mathrm{P=\frac{2T}{r}}$$

什么是气泡？

它是薄薄的肥皂水。为了获得最小的能量，球形是首选。

液滴和气泡内部的压力

液滴内部的压力

让我们假设一个半径为 r 的液滴。由于表面张力，表面分子会受到合向内的力。内部压力大于外部压力。存在由过压形成的等效向外力，以平衡由于表面张力引起的向内力。

将液滴分成两半，由于表面张力产生的向上力为

$$\mathrm{F=P\pi r^{2}}$$

在表面圆周上作用的相等且相反的向下力为

$$\mathrm{F=T(2\pi r)}$$

在平衡状态下 $\mathrm{P\pi r^{2}=T(2\pi r)}$

$$\mathrm{P=\frac{2T}{r}}$$

这是液滴内部压力的表达式。

气泡内部的压力

肥皂泡有两个与空气接触的表面。气泡的内侧和气泡的外侧。由于存在两个平面表面，因此力为 $\mathrm{2(2\pi r)T}$。因此，在平衡状态下，

$$\mathrm{P\pi r^{2}=2(2\pi rT)}$$

$$\mathrm{P=\frac{4T}{r}}$$

液滴和气泡内部的压力都与液滴的半径成反比。

结论

在本教程中，我们研究了液体如何在毛细管中上升以及毛细作用。内聚力和粘附力在使液体在毛细管中上升中起作用。液滴和气泡看起来相似，但气泡包含空气，而液滴包含液体。气泡内部的压力是液滴的两倍。

常见问题解答

Q1. 给出一些液体的性质。

答：液体是不可压缩的，并且可以占据容器的形状。它具有确定的体积。加热时，液体会变成气态。

Q2. 粘附力和内聚力的区别是什么？

答：

粘附力	内聚力
这种力发生在不同物质的分子之间。	它发生在同种物质的分子之间。
当它很强时，它会使液体在表面上扩散。	当它很强时，它会形成水滴。

Q3. 用于测量表面张力的方法有哪些？

答：一些用于测量表面张力的方法有旋转液滴法、悬滴法、毛细上升法和气泡压力法。

Q4. 影响表面张力的因素有哪些？

答：液体的表面张力与温度成反比。它在临界温度下为零，在冰点时最大。如果水面上有油或灰尘，则其表面张力会降低。

Q5. 油是如何漂浮在水上的？

答：油的表面张力小于水的表面张力。这就是为什么油漂浮在水面上。