表面張力
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表面張力(英語:Surface Tension)在物理上的狹義的定義是指液體試圖獲得最小表面位能的傾向;廣義地說,所有兩種不同物態的物質之間界面上的張力被稱為表面張力。表面張力的因次是,常見單位是或,亦即,單位長度的力或單位面積的能。[1]表面張力最常見的例子發生在液體與其他物質的接觸面。以水為例,水的表面張力來自於由凡得瓦力所造成的內聚力。當固體,如水黽,跑到水上時,表面張力會盡可能將水面維持平整的狀態,以達到最小表面位能。如果水黽的重量維持在限度以內,那麼水面將只會有少許凹陷,這就是水黽能夠在水面上活動的原理。
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表面張力會隨液體的不同而改變。常見的科普實驗是在一盆水中滴入一些密度低於水的界面活性劑,再把一艘小船放在界面活性劑與水面的交界處。因為界面活性劑的表面張力小於水的表面張力,所以水的表面張力會把小船推向界面活性劑的方向或拉往水的方向[2]。
在材料科學里,表面張力也稱為表面應力和表面自由能。
表面張力係數σ(sigma)單位為N/m,表面張力係數在熱力學的廣義定義為:表面張力係數σ是在溫度T和壓力p不變的情況下吉布斯自由能G對面積A的偏導數:
有幾種變因能顯著改變表面張力係數:
- 液面性質(種類、純淨度等):一般密度小而易蒸發的液體之表面張力係數會比融化金屬更小,液體中的雜質能顯著的影響液面的表面係數
- 溫度:同一種液體的表面張力係數隨溫度升高而減少,當純液體與他的蒸氣平衡時(即蒸發與凝結的可逆反應為平衡狀態)時有:
- σ =σ0+βt
其中σ0是液體在0°C時液體的表面張力係數,β為隨著液體而異的常數,也因此在使用燒紅的針能更好的戳破肥皂泡膜。
而表面張力大小與表面張力係數σ和分界線的長度L成正比,即
- 'f = σ'L
吉布斯自由能的單位是能量單位,因此表面張力係數的單位是能量/面積。