液体表面具有一种不同于液体内部的特殊性质。在液体内部,相邻液体间的相互作用表现为压力;而在液体表面,界面上液体间的相互作用表现为张力。由于这种力的存在,引起弯曲液面内外出现压力差以及常见的毛细现象等。
1.表面张力
在液体表面(简称液面)有自动收缩的趋势。若在液面上画一截线,截线两边的液面存在着相互作用的力,此力与截线垂直并与该处液面相切,这种力即为液体的表面张力。表面张力的大小与液面截线的长度L成正比,即
T=σL (1-35)
式中,σ是表面张力系数(N/m),它表示液面上单位长度截线上的表面张力,其大小主要由物质种类决定。
表1-11列出一些液体的表面张力系数。表1-12列出饱和水的表面张力系数与温度的关系。
表1-11 一些液体的表面张力系数
表1-12 饱和水的表面张力系数与温度的关系
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2.接触角和毛细现象
(1)接触角 当液体及固体表面接触时,接触处会产生相互润湿或不润湿的表面现象,常用接触角来表明润湿的程度。在液体、固体壁和空气交界处作液体表面的切面,此面与固体壁在液体侧所夹的角度θ(见图1-5),称为这种液体对该固体的接触角。当θ为锐角时,液体润湿固体;当θ为钝角时,液体不润湿固体;若θ=0,则液体完全润湿固体;若θ=π,则液体完全不润湿固体。水与洁净玻璃的θ=0,水银与玻璃的θ=138°。
图1-5 液体的润湿与接触角
(2)毛细现象 将细管插入液体后管内水面会升高或下降,这种现象称为毛细现象。毛细现象是由表面张力及接触角所决定的。
在液体润湿表面的情况下,毛细管刚插入液体中时,由于接触角为锐角,液面就变为凹面,使液面下方B点(见图1-6)的压力比液面上方的大气压小,而在与B点同高的平液面处的C点的压力,仍与液面上的大气压相等。根据液体静力学原理,同高两点的压力应相等,因此液面不能平衡而要在管中上升,直至B点与C点的压力相等。
图1-6 毛细现象
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