如何理解液体表面张力?

在确定的条件下,水的表面张力是一个定值。但是轻轻的滴一滴水滴在荷叶上和在普通桌面上的形态不一样?或者说不同材质的衣服上溅了水,但可能是完全不同的水滴效…
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法国科学家Bruno Andreotti的一篇科普论文(Marchand A, Weijs J H, Snoeijer J H, et al. Why is surface tension a force parallel to the interface?[J]. American Journal of Physics, 2011, 79(10): 999-1008.)可以很好地帮助你理解液体表面张力,我简要地阐述一下这篇论文的内容。

表面张力的微观来源是分子间相互作用与热效应,宏观上可以理解为“沿界面作用的力”或“单位表面的能量”。一般地,学生和科研工作者在理解表面张力时会遇到几个关键问题,且理解表面张力的困难经常在于受力对象的不适当定义

借鉴Gibbs的开创性工作,我们可以将表面张力理解成因两本体相间界面存在导致的额外表面能。液-气界面附近的液体分子所处的环境与本体中的分子不同,这种差异经常被人用图1的示意图表现,即近乎一半的分子间引力缺失,这导致自由能的增加,这是热动力学的观点。

从力学的观点来看,表面张力定义为单位长度的力。在静止液体本体中,液体的两个子系统互相施加排斥力,这就是压力。但如果这两个子系统横跨界面的话,需要额外考虑一个力,这就是表面张力。如图2,表面张力是平行于表面的力,且垂直于两子系统的分界线。与压力不同,表面张力是引力作用。

热动力学观点和力学观点可以用虚功原理联系起来。图1中的界面处的分子明显受到一个垂直于界面方向的力,但图2中的力明显平行于界面,那么第1个关键问题就是:为什么表面张力是一个平行于界面的力,即使它似乎一定垂直于界面?

测量液-气表面张力的标准方法是测量将金属板拉出水面的力,这个力与表面张力γLV相关(图3a)。而对杨氏方程(图3b),一般认为在接触线处存在三个界面张力在固-液界面方向的力平衡γSL+γLVcosθ=γSV。初学者在此处会有以下困惑:

问题2图3b中似乎有一个力分量γLVsinθ在竖直方向未得到平衡?缺少了什么力?

问题3为什么图3a只画了一个力,杨氏方程中却有3个力?

提前给出三个问题的简单答案。

答案1图1仅仅画出分子间引力作用,真实的受力包括液体分子间的引力和斥力作用。

为了回答问题23,确定受力对象是最关键的。

答案2杨氏方程中的受力对象是接触线附近的液体角落,固体对液体角落施加的力并没有画全,实际上固体基底对液体角落的引力向下,大小等于γsinθ。

答案3图2中的受力对象是平板,此时,液体对固体的作用力是γLVcosθ。

为了从源头上理解毛细现象和表面张力,我们首先要考虑的就是液体分子间的作用力。事实上,一对液体分子间的作用力要么是引力,要么是斥力,与两分子间距离相关,一般可用Lennard-Jones势能表示(图4)。

当分子间距较小时,斥力为主,分子间距较大时,引力为主。在斥力与引力平衡时,Lennard-Jones势能最小。现在,我们就可以来详细地考虑液-气界面了。图5a是通过分子动力学仿真得出的液-气界面照片,对应的时间平均密度分布图是图5b。从高密度的液体到低密度的气体发生在一个几个分子厚度的窄区域。为了确定毛细力,我们沿垂直界面方向将系统分为两个子系统(图5a)。考虑左边子系统对右边子系统的单位面积的作用力,即应力,在竖直方向上的分布。这个力有两个来源:压力P和额外压力Π(图5c)。图5c表明有个力局部存在于界面附近,其实这个力就是表面张力,且这个力范围和密度突变的范围很相似。这说明表面张力的确是一个真实的力,而不仅仅是表面能的一种纯数学描述。既然我们发现在界面附近的确局部存在一个平行的力,那我们回到问题1,为什么表面张力平行于界面而不是垂直于界面?我们注意到图1仅仅描绘了分子间引力作用。更全面的图应该如图6所示,包含了引力与斥力作用。在远离界面的液体本体内,由于液体分子周围的完全对称性,分子的受力完全平衡。但是,靠近界面附近的地方,上下对称性被打破。为修复竖直方向的力平衡,向上的斥力需平衡向下的引力。而在平行于界面的方向,对称性仍然存在,平行于界面方向的力平衡仍然存在。这就可以存在一种情况,引力作用的强度与斥力作用的强度不同。实际上,在界面附近的水平方向上,引力作用比斥力更强,这产生了表面张力。

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先理解界面能,从能量的角度,也就是热力学的角度出发,很多问题理解起来是系统性的。

首先,物体的表面是缺陷!
试想一下,一种物质内部,结构井然有序,但是在表面,最外面的原子或分子却暴露在外部,再上面再也没有小伙伴一起玩耍,只能和下面的伙伴玩耍,所以,表面最上层的原子或分子,必定与内部其他原子有所不同,内部有部分不合规矩的原子造成的是小缺陷,但是在表面的所有原子都不合规矩,所一,表面是大缺陷!造成大缺陷是需要能量的!所以说:表面原子比物质内部的原子具有更多的能量,因此,根据能量最低原理,原子会自发的趋于物质内部而不是表面。表面能的另一种定义是,材料表面相对于材料内部所多出的能量。

表面张力,是表面能的力学表现,就像重力是重力势能的表现,就是求一下偏导而已。

分手的理由,我们在一起不合适!

当最上面一层分子或原子与其他物质接触时,与其他物质的表面的分子或原子玩耍过程,造成了表面能的不同,表现为表面张力不同。你想想,当你和你的小伙伴一起玩耍时,是不是感觉自在,没什么压力,但是,当你和你的老师或父母一起玩耍时,是不是不自在,有压力。对,就是这两层分子在一起玩耍时,能不能自在!!!越是不匹配的,大原子半径的和小原子半径的在一起玩耍,不自在,不匹配,表面能大,不想和它们相处,于是就想往里缩!!找自在的地方。比如,一粒水滴落到塑料上,TM都是不匹配,不想打交道的分子,于是都往里面缩,水滴很鼓,很生气。但是遇到和自己匹配的物质的表面,都躺展了!!!就是贱。

理解了不同物质的分子或原子结构,再来考虑表面张力就不难了,水分子讨厌荷叶的表面(分子结构不同,电子结构不同,不匹配),于是都不想当表面,于是水滴很鼓。
水分子如果遇到喜欢的分子,必定躺展!!这就是为什么水滴的形态不一样,就是双方表面的分子互相接触,如果没什么冲突,就躺展,如果冲突,就变鼓。 所以以后看到荷叶上的露珠,你该想想,水珠是多么不爽荷叶,都气鼓了!!

自然界没有人那么虚伪,人会与不喜欢的人交流,会在一起聊天喝酒,假装很好,但是自然界,不喜欢,不匹配,就是赤裸裸的减少接触,减少表面接触的面积,让能量达到最低,一种原始的美感,让人感动。
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