表面张力与表面能的关系

图2-8　金属的表面张力

对于液体和气体界面上的质点（原子或分子），由于液态的密度大于气体的密度，故气体相对它的作用力远小于液体内部对它的作用力，使表面层质点处于不平衡的力场之中。因此，使表面质点受到一个指向液态内部的力，并有使液体表面缩小的趋势，如图2-8所示。这就等于在液体表面上存在一个平行于表面且各个方向大小相等的张力，称之为表面张力。表面张力是表面上平行于表面切线方向且各个方向大小相等的张力，产生张力的表面层厚度不超过10-7cm，相当于几个原子（分子）的液层厚度，而由于表面原子受力不均，引起表面原子的势能比内部原子的势能高，使物体产生了表面能。

由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，使表面绷紧或弯曲，导致表面内产生了多余的表面能。设表面S在绷紧力F的作用下，拉长了dx距离，则外力所做的功为

进一步可得：(www.xing528.com)

由此可见，表面张力σ是表面S内垂直F方向的单位长度上的拉紧力，也是增加单位表面积dA时外力所做的可逆功，称之为表面能。表面张力和表面能在数值上相同，但量纲不同，如表面张力为10-1N/m，则表面能为10-1J/m2。

由相关热力学公式可得：

上式表明，表面张力σ就是单位面积上的自由能。式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。