液滴、氣泡和毛細現象

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簡介

宇宙中的所有物質都由稱為分子的微小粒子組成。它們彼此之間存在著某種吸引力。分子之間存在著分子間引力。根據分子間引力的強弱，物質可分為五類：固體、液體、氣體、等離子體和玻色-愛因斯坦凝聚態。固體是分子間距離非常小，並且彼此緊密結合的物質。液體是分子間距離較小，並且結合比固體鬆散的物質。

什麼是表面張力？

表面張力是液體的分子行為。液體試圖收縮以獲得較小的表面積。這種現象稱為表面張力。

液體表面的分子被吸引到中心，以使其面積減小。分子之間存在向內和切向的力。分子之間作用的切向力稱為表面張力。它有助於液體分子收縮。內部分子的合力為零，因為各個方向的力相互抵消。表面分子具有一定的合力。表面張力定義為單位長度的力或單位面積的能量。表面張力的單位為 $\mathrm{jm^{-2}}$。

$$\mathrm{表面張力(T)=\frac{力(F)}{長度(L)}}$$

表面張力的量綱公式為 $\mathrm{MLT^{-2}}$。

表面張力的一些實際例子

• 一些昆蟲，如水黽，可以在液體的表面行走。由於它們的重量輕，所以不會穿透液體。

• 針或回形針的密度大於水。儘管如此，由於表面張力的作用，它們仍然漂浮在液麵上。

• 冬天洗衣服時會用熱水。因為熱水的表面張力較低。所以它們可以更容易地溼潤衣物。

粘附力和內聚力

液體分子之間存在兩種型別的吸引力。它們是粘附力和內聚力。

• 粘附力 - 兩種不同物質的分子之間發生的吸引力稱為粘附力。通常，這種力用於將兩個物體粘合在一起。牆壁上的油漆和麵包上的黃油是粘附力的一些例子。

• 內聚力 - 同種物質的分子之間發生的吸引力稱為內聚力。水分子之間存在內聚力，使它們結合在一起。

毛細管和毛細上升

液體在沒有外力作用下透過狹窄空間流動的現象稱為毛細現象。毛細作用是由於液體和周圍固體表面之間的吸引力造成的。由於管道的直徑很小，表面張力和粘附力結合在一起，使液體上升到管道中。植物各個部位的水分分佈是由於莖的毛細作用。鋼筆筆尖上的墨水溢位是由於毛細作用。

毛細上升的公式

毛細管內部液體的上升或下降稱為毛細現象。讓我們考慮一根半徑為 r 的毛細管浸入液體中，液體在毛細管內的上升高度為 h。設液體的密度為 $\mathrm{\rho}$。表面張力是在毛細管和液體接觸點處作用的切向力。它與毛細管壁成 $\mathrm{\theta}$ 角。作用在接觸點的切向力分解成兩個分量，水平方向上的 $\mathrm{T\:sin\theta}$ 和垂直方向上的 $\mathrm{T\:cos\theta}$。水平分量 $\mathrm{T\:sin\theta}$ 被表面所有分子的力抵消。因此，唯一的力是垂直分量。

因此，總向上的力為 $\mathrm{F=周長\times 力}$

$$\mathrm{F=2\pi r(Tcos\theta )}$$

向下的力為 $\mathrm{F=mg}$

g 是重力加速度。

$$\mathrm{密度(\rho )=\frac{質量(m)}{體積(v)}}$$

$$\mathrm{m=\rho V}$$

液體的體積為 $\mathrm{V=\pi r^{2}h}$

$$\mathrm{m=\rho \pi r^{2}h}$$

向下的力 $\mathrm{F=\rho \pi r^{2}hg}$

在平衡狀態下，向上的力和向下的力相等。

$$\mathrm{2\pi r(Tcos\theta )=\rho \pi r^{2}hg}$$

$$\mathrm{2Tcos\theta =\rho rhg}$$

$$\mathrm{T=\frac{\rho rhg}{2 cos\theta }}$$

這是表面張力的表示式。

什麼是液滴？

完全被自由表面包圍的小液柱稱為液滴。當液體允許聚集在管道的下端時，就會形成液滴。蒸汽凝結也會導致液滴的形成。將液滴分成兩半，由於表面張力產生的向上力為

$$\mathrm{F=P\pi r^{2}}$$

在表面圓周上作用的相等且相反的向下力為

$$\mathrm{F=T(2\pi r)}$$

在平衡狀態下 $\mathrm{P\pi r^{2}=T(2\pi r)}$

$$\mathrm{P=\frac{2T}{r}}$$

什麼是氣泡？

它是薄薄的肥皂水。為了獲得最小的能量，球形是首選。

液滴和氣泡內部的壓力

液滴內部的壓力

讓我們假設一個半徑為 r 的液滴。由於表面張力，表面分子會受到合向內的力。內部壓力大於外部壓力。存在由過壓形成的等效向外力，以平衡由於表面張力引起的向內力。

將液滴分成兩半，由於表面張力產生的向上力為

$$\mathrm{F=P\pi r^{2}}$$

在表面圓周上作用的相等且相反的向下力為

$$\mathrm{F=T(2\pi r)}$$

在平衡狀態下 $\mathrm{P\pi r^{2}=T(2\pi r)}$

$$\mathrm{P=\frac{2T}{r}}$$

這是液滴內部壓力的表示式。

氣泡內部的壓力

肥皂泡有兩個與空氣接觸的表面。氣泡的內側和氣泡的外側。由於存在兩個平面表面，因此力為 $\mathrm{2(2\pi r)T}$。因此，在平衡狀態下，

$$\mathrm{P\pi r^{2}=2(2\pi rT)}$$

$$\mathrm{P=\frac{4T}{r}}$$

液滴和氣泡內部的壓力都與液滴的半徑成反比。

結論

在本教程中，我們研究了液體如何在毛細管中上升以及毛細作用。內聚力和粘附力在使液體在毛細管中上升中起作用。液滴和氣泡看起來相似，但氣泡包含空氣，而液滴包含液體。氣泡內部的壓力是液滴的兩倍。

常見問題解答

Q1. 給出一些液體的性質。

答：液體是不可壓縮的，並且可以佔據容器的形狀。它具有確定的體積。加熱時，液體會變成氣態。

Q2. 粘附力和內聚力的區別是什麼？

答：

粘附力	內聚力
這種力發生在不同物質的分子之間。	它發生在同種物質的分子之間。
當它很強時，它會使液體在表面上擴散。	當它很強時，它會形成水滴。

Q3. 用於測量表面張力的方法有哪些？

答：一些用於測量表面張力的方法有旋轉液滴法、懸滴法、毛細上升法和氣泡壓力法。

Q4. 影響表面張力的因素有哪些？

答：液體的表面張力與溫度成反比。它在臨界溫度下為零，在冰點時最大。如果水面上有油或灰塵，則其表面張力會降低。

Q5. 油是如何漂浮在水上的？

答：油的表面張力小於水的表面張力。這就是為什麼油漂浮在水面上。