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表面张力及其测量方法

时间:2023-11-02 理论教育 版权反馈
【摘要】:一个简单的学校实验就包含这种现象,我们可借助计数液滴并称重来测量水及其他液体的表面张力。稳定化的一个因素是在液滴表面提供合适的电荷,这就是为什么乳浊液会受到酸和碱等电解质的影响。乳浊液一旦实现了稳定化,我们就需要做相当多的功才能实现液滴融合,这就是为什么搅拌奶油制作黄油是个辛苦活儿。

表面张力及其测量方法

如果我们延伸液体的表面以增大其面积,我们就必须增加液体表面的分子数。这些额外的分子只能来自液体内部,而且它们从液体内部被拖拽到表面还需要对抗试图将它们留在那里的力,这种力非常强大。基于这个原因,创造一个新表面需要能量,该表面也包含一种张力,这是一种完全真实的力。[2]这种力常见于水滴或水银滴,其表面张力因抵抗重量而将液滴拉拽成大致的球状。

当液滴挂在水龙头出水嘴上时,其中水的重量主要靠其表面张力来支撑。一个简单的学校实验就包含这种现象,我们可借助计数液滴并称重来测量水及其他液体的表面张力。

虽然液体的表面张力同一根弦或其他固体上的张力一样真实,但它至少在以下三个重要方面与弹性张力或胡克式张力不同:

1.表面张力并不取决于应变或拉伸,无论表面延展多远,它都是恒定的。

2.不像固体那样,液体表面几乎可被无限拉伸且应变可随意增大,而不致破裂。

3.表面张力不依赖于表面的横截面积,而取决于表面的宽度。深或“厚”的液体与浅或“薄”的液体,表面张力都是一样的。(www.xing528.com)

空气中的液滴几乎没有生物学意义,因为它们很快就会落到地上;但是,悬浮在一种液体中的另一种液体微滴却能无限期地持续存在,并且在生物学和工艺技术方面都有极其重要的意义。这种体系被称为“乳浊液”,在牛奶、润滑剂和多种涂料中都很常见。

液滴通常是球形的,球的体积与其半径的立方成正比,球的表面积与其半径的平方成正比。因此,如果两个相似的液滴融合成一个两倍体积的液滴,那么表面积会有明显的减少,表面能也会减少。所以,肯定有一种能量驱使着乳浊液中的液滴融合,并刺激该体系分离成两种连续的液体。

若我们想要液滴保持分离而不融合,就必须让它们相互排斥。这也正是所谓的“乳浊液稳定化”——一个相当复杂的过程。稳定化的一个因素是在液滴表面提供合适的电荷,这就是为什么乳浊液会受到酸和碱等电解质的影响。乳浊液一旦实现了稳定化,我们就需要做相当多的功才能实现液滴融合(尽管节约了表面能),这就是为什么搅拌奶油制作黄油是个辛苦活儿。大自然很擅长稳定乳浊液。

虽然它的确有一些严重的缺点,但只要动物安于又小又圆的样子,皮肤、膜或容器的表面张力就有其存在的理由。第一,这种皮肤易于延展,也能自我恢复;第二,繁衍的问题被大大简化了,因为如果液滴膨胀,它就能一分为二,变成两个液滴。

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