表面张力是一种现象，在这种现象中，液体与气体接触时的液体表面起着薄弹性片的作用。该术语通常仅在液体表面与气体（如空气）接触时使用。如果表面介于两种液体（如水和油）之间，则称为“界面张力”

表面张力的成因

各种分子间作用力，如范德华力，将液体粒子拉在一起。沿着表面，粒子被拉向液体的其余部分，如右图所示。

表面张力（用希腊变量gamma表示）定义为表面力F与力作用的长度d之比：

伽马=F/d

表面张力单位

表面张力以N/m（牛顿/米）的国际单位制测量，但更常见的单位是cgs单位dyn/cm（dyne/cm）。

为了考虑这种情况的热力学，有时在单位面积功方面考虑它是有用的。在这种情况下，国际单位制是J/m2（焦耳/平方米）。cgs单位为erg/cm2。

这些力将表面粒子结合在一起。尽管这种结合很弱——毕竟很容易打破液体的表面——但它确实以多种方式表现出来。

表面张力的例子

水滴。使用滴管时，水不会连续流动，而是以一系列水滴的形式流动。水滴的形状是由水的表面张力引起的。水滴不是完全球形的唯一原因是重力向下拉它。在没有重力的情况下，液滴将使表面积最小化，以使张力最小化，从而形成完美的球形。

在水上行走的昆虫。有几种昆虫能在水上行走，如水漫游者。它们的腿被形成来分配它们的重量，使液体表面变得凹陷，从而使势能最小化，从而形成力的平衡，从而使漫游者能够在水面上移动而不会冲破水面。这在概念上类似于穿雪鞋穿过厚厚的积雪而不让脚下沉。

针（或回形针）漂浮在水面上。尽管这些物体的密度比水大，但沿着凹陷的表面张力足以抵消重力对金属物体的下拉力。单击右侧的图片，然后单击“下一步”，查看此情况的力图，或者自己尝试浮动针技巧。

肥皂泡的解剖

当你吹肥皂泡时，你正在创造一个压缩的气泡，它包含在一个薄的、有弹性的液体表面内。大多数液体不能保持稳定的表面张力来产生气泡，这就是为什么肥皂通常用于这个过程。。。它通过马兰戈尼效应稳定表面张力。

当气泡吹出时，表面薄膜趋于收缩。这会导致气泡内的压力增加。气泡的大小稳定在气泡内气体不会进一步收缩的大小，至少不会使气泡破裂。

事实上，肥皂泡上有两个液气界面——一个在泡内，一个在泡外。在两个表面之间是一层液体薄膜。

肥皂泡的球形是由表面积最小化引起的——对于给定的体积，球体总是表面积最小的形状。

肥皂泡内的压力

为了考虑肥皂泡内的压力，我们考虑气泡半径R和液体的表面张力γ（肥皂在这种情况下约为25 Dyn/cm）。

我们首先假设没有外部压力（这当然不是真的，但我们会在一点时间内处理好）。然后，你可以考虑气泡中心的横截面。

沿着这个横截面，忽略内外半径的微小差异，我们知道周长为2pi R。每个内表面和外表面在整个长度上都有伽马压力，所以总的。因此，来自表面张力（来自内外膜）的总作用力为2gamma（2pi R）。

然而，在气泡内部，我们有一个压力p，它作用于整个横截面pi R2，导致总作用力p（pi R2）。

由于气泡是稳定的，这些力的总和必须为零，因此我们得到：

显然，这是一个简化分析，其中气泡外部的压力为0，但这很容易扩展以获得内部压力p和外部压力pe之间的差值：

液滴压力

分析一滴液体比分析肥皂泡更简单。而不是两个表面，只有外部表面要考虑，所以从早期方程中的2个因素下降（记住我们把表面张力加倍来考虑两个表面？）以产生：

接触角

表面张力发生在气液界面期间，但如果该界面与固体表面（如容器壁）接触，则界面通常在该表面附近向上或向下弯曲。这种凹面或凸面形状称为弯月面

接触角θ的确定如右图所示。

接触角可用于确定液-固表面张力和液-气表面张力之间的关系，如下所示：

伽马ls=-伽马lg cosθ

哪里

• gammals是液-固表面张力
• gammalg是液体-气体表面张力
• θ是接触角

在这个等式中要考虑的一件事是，在弯月面是凸的情况下（即接触角大于90度），这个方程的余弦分量将是负的，这意味着液-固表面张力将是正的。

另一方面，如果弯月面为凹面（即向下倾斜，因此接触角小于90度），则cosθ项为正，在这种情况下，该关系将导致负的液-固表面张力！

本质上，这意味着液体粘附在容器壁上，并使与固体表面接触的面积最大化，从而使总势能最小化。

毛细作用

另一个与垂直管中的水有关的效应是毛细性质，即相对于周围液体，管内的液体表面升高或降低。这也与观察到的接触角有关。

如果容器中有液体，并将半径为r的窄管（或毛细管）放入容器中，毛细管内发生的垂直位移y由以下公式给出：

y=（2伽马lg cosθ）/（dgr）

哪里

• y为垂直位移（正时向上，负时向下）
• gammalg是液体-气体表面张力
• θ是接触角
• d是液体的密度
• g是重力加速度
• r是毛细管的半径

注：再次说明，如果θ大于90度（凸面弯月面），导致负的液-固表面张力，则液位将相对于周围液位下降，而不是相对于周围液位上升。

毛细现象在日常生活中以多种方式表现出来。纸巾通过毛细作用吸收。燃烧蜡烛时，由于毛细作用，熔化的蜡上升到灯芯上。在生物学上，虽然血液被泵入全身，但正是这个过程将血液分配到最小的血管中，这些血管被称为毛细血管。

盛满一杯水的四分之一硬币

所需材料：

• 10至12个季度
• 装满水的玻璃杯

慢慢地，用一只稳定的手，一次一个地把硬币拿到玻璃杯中央。将四分之一硬币的窄边放入水中，然后松开。（这将对表面的破坏降至最低，并避免形成可能导致溢流的不必要波浪。）

当你继续使用更多的硬币时，你会惊讶地发现水是如何凸出于玻璃杯顶部而没有溢出！

可能的变体：使用相同的杯子进行此实验，但在每个杯子中使用不同类型的硬币。使用可以放入多少硬币的结果来确定不同硬币体积的比率。

浮针

所需材料：

• 叉子（变型1）
• 一张薄纸（变体2）
• 缝纫针
• 装满水的玻璃杯

将针放在叉子上，轻轻地将其放入一杯水中。小心地将叉子拔出，可以使针漂浮在水面上。

这个技巧需要一只真正稳定的手和一些练习，因为你必须以这样的方式取下叉子，使针的部分不会被弄湿。。。否则针会沉下去。你可以事先在手指间搓一针，给它“上油”，这样可以增加你成功的机会。

变体2技巧

将缝纫针放在一小块薄纸上（大到足以容纳针）。针放在纸巾上。纸巾会被水浸湿，沉入玻璃底部，使针漂浮在表面上。

用肥皂泡熄灭蜡烛

所需材料：

• 点燃蜡烛（注意：未经家长批准和监督，请勿玩火柴！）
• 漏斗
• 洗涤剂或肥皂泡溶液

将拇指放在漏斗的小头上。小心地把它拿向蜡烛。取下拇指，肥皂泡的表面张力会使其收缩，迫使空气通过漏斗排出。气泡排出的空气应该足以熄灭蜡烛。

有关某种程度上相关的实验，请参见火箭气球。

机动纸鱼

所需材料：

• 一张纸
• 剪刀
• 植物油或液体洗碗机洗涤剂
• 装满水的大碗或面包蛋糕锅

一旦你有你的纸鱼图案剪下来，把它放在水容器，使它漂浮在水面上。把一滴油或洗涤剂滴在鱼中间的洞里。

清洁剂或油会导致孔中的表面张力下降。这将导致鱼向前推进，在水上移动时留下油迹，直到油降低整个碗的表面张力后才会停止。

下表显示了不同液体在不同温度下获得的表面张力值。

实验表面张力值

安妮·玛丽·赫尔曼斯汀博士编辑。