生活中的表面张力现象

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1、流体力学课程报告课题名称:生活中的表面张力现象学生姓名：张XX学号：2010XXXXXX班级：XXXXXXXX专业：工程力学时间：2013年6月20日生活中的表面张力现象一、表面张力的定义表面张力，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力，在该力的作用下液体的表面总是试图获得最小的、光滑的面积达到能量最低的状态，像是一层弹性的薄膜。表面张力产生于流体与其他物质界面处，其量纲是单位长度的力和单位面积的能。二、表面张力产生的原因1、分子力学角度的解释液体的内聚力是形成表面张力的原因。在液体内部，每个分子都在每个方向都受到邻近分子的吸引

2、力（也包括排斥力）。因此，液体内部分子受到的分子力合力为零。然而，在液体与气体的分界面上的液体分子在各个方向受到的引力是不均衡的（如图2-1），造成表面层中的分子受到指向液体内部的吸引力，并且有一些分子被“拉”到液体内部。因此，液体会有缩小液面面积的趋势，在宏观上的表现即为表面张力现象。图2-1界面及内部液体分子受力示意图2、分子势能角度的解释液体内部分子周围有大量分子，因此，内部分子的分子势能较低。然而，表面层中的分子周围的分子明显小于液体内部分子的，所以，表面层的分子有较高的分子势能。为了达到低能量的稳定状态，表面层中的分子有向液体内部移动的趋势，从而

3、导致表面层中的分子数量减少，宏观表现为液体表面积减小。如图2-2所示。图2-2液体界面内外分子势能示意图一、生活中的表面张力现象1、肥皂膜中的表面张力——液面收缩性如图3-1所示，将一中间系有软质棉线的铁圈在肥皂液中浸泡，在整个铁圈表面会形成一张液膜，刺破棉线左侧处液膜，在液体表面张力作用下，棉线将向另一侧拉紧；若刺破另一侧液膜，棉线将向反方向拉紧。图3-1肥皂膜张紧单线现象如图3-2所示，刺破棉线圈中的液膜，整个棉线圈将向四周被拉紧。图3-3肥皂膜张紧棉圈现象如图3-4所示，将用细铁丝做的U型框架的两导轨上安置一横向铁丝，铁丝能在导轨上自由运动而不脱落。

4、铁丝初始位置在靠近手柄处，将整个装置在肥皂液中浸泡，年后轻轻向外拉动铁丝，将会发现横向铁丝与U型框架间将形成一透明薄膜，松开横向铁丝后，薄膜收缩并将横向铁丝拉回初始位置。图3-4液膜收缩牵引铁丝运动由以上三组实验现象可以得知，液膜中纯在表面张力使液膜具有向内的收缩性。液体表面的分子在内部分子作用下总是试图向内运动以达到能量最低的状态，在宏观上表现为表面张力现象。1、试管中的表面张力现象——毛细现象在实验室我们很容易发现，将细玻璃管插入不同性质的液体（易浸润和不易浸润液体）时，玻璃管中的液面会高于或低于管外的液面，管内很难达到与外界液面平齐，该现象被称为毛细

5、现象，造成这一现象的原因便是液体与管壁接触处纯在表面张力。如图3-5所示，两根相同的玻璃管分别插入装有水和水银的容器中，观察现象可以看到，插入水中的玻璃管管内液面高于管外，而另一只玻璃管现象则与之相反。图3-5毛细现象产生毛细现象的机理便是液体与管壁接触处的表面张力，管中液体升高或降低的高度也可以通过计算得到。假设管的直径为d，管内液体表面张力系数为，液体界面和管壁接触角为，液面升高为H。假设管中液面为球面，其曲率半径为：液面外侧为大气压，内侧压力按表面张力公式得：在静止液体中有:消去Pa后可得：由上式可知，时，管中液面升高，液体为易浸润流体；时，管中液面

6、下降，相应液体为不易浸润流体。1、金属及昆虫浮于水面如图3-6所示，将回针和硬币小心翼翼的平放在盛有水的水杯中（水保持静止），然后观察现象，发现金属回针和硬币均浮在水面上，并没有下沉。引起这种现象的原因是液体的表面张力平衡了回针及硬币所受的重力。图3-6回针及硬币浮于水面下面以硬币浮于水面为例，简要画出表面张力对硬币作用示意图。在平衡状态下，硬币受液面的表面张力的作用，设其合力为T，方向竖直向上；同时受到重力G的作用（由于浸入水中体积较小可忽略浮力的影响）。因此有：T=G在水受到微小扰动的情形下，在表面张力作用下，两相接触处液面形状不发生变化，硬币受力平衡

7、，仍可处于漂浮状。图3-7硬币浮于水面受力示意图如图3-8所示，为昆虫在水面上行走的图片。其原因也是液体的表面张力作用的结果。通过扫面电镜观察，会发现水黾其腿部长满了微米量级的刚毛，而这些刚毛上面又长有更为细小的纳米量级的沟槽。通过测试液体浸润性的仪器发现，构成水黾整个腿的材料具备很强排斥水的性能。另外，水黾腿部的横截面是空心的，增大了疏水性也减轻了自身重量。在这多种因素的协同作用写下，使水黾具备了产生超强浮力的能力，因而能够在水面闲庭信步。图3-8水黾浮于水面1、自然界几个壮观的表面张力现象图3-9所示为荷叶表面的液滴呈圆球状现象，经过不断的放大进行微观

8、的观察，发现荷叶表面有很多细小的疏水“结构”，使荷叶无法浸润，液滴