1、液体表面张力及实验探讨摘要：日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。本文在研读文献的基础上，从分子力的角度对表面张力的概念进行了阐释，然后分析了影响表面张力大小的因素。在一些现象中人们通常会将表面张力与浮力相混淆，本文设计了三个简便易行的实验，通过实验现象的观察及分析，说明表面张力和浮力的不同作用。最后，由于表面张力在人体的呼吸过程中起着重要作用，本文在研读文献的基础上给与归纳、描述，并且从表面张力的角度分析了人体在高烧的时候，呼吸加快的原因。本文意在通过简洁的论述和图示，让人们了解表面张力及其在生活中的应用。关键词：表面张力；浮力；呼吸过程一、问题的提出日常
2、生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。如：日常生活中人们见到的液滴往往呈球形，是液滴表面张力作用的结果。下雨天人们使用的雨伞是布面的，有微小的缝隙却不漏雨，是雨水表面张力作用的结果。在人体每时每刻的呼吸中，表面张力同样起着非常重要的作用：表面张力使大小不同的肺泡保持一定的形状，不会使大肺泡因扩大而爆裂，也不会使小肺泡因缩小而萎陷；表面张力的这种变化是肺泡表面活性物质所起到的调节作用。用纯水很难吹出泡泡，然而往水中加入一些表面活性物质，就可以很容易的吹出又大又圆的泡泡了。同样，往洗涤剂中加入表面活性物质，不仅可以使洗涤剂更好的溶于水，还可以增强衣物的浸湿效果，更有
3、效的去除污迹。可以说表面张力与人们的日常生活形影不离，要很好的利用表面张力，就要了解表面张力的含义。二、表面张力的概念（一）相关概念1分子力物质是由分子构成的，分子间的相互作用，叫做分子力。如图（1）所示，当分子之间的距离等于 10-10m 时，分子间的引力等于斥力，对外不显示力的作用，因此 10-10m 叫做分子的平衡距离，用 r0 表示。当分子间的距离小于平衡距离时，分子力表现为斥力；当分子间的距离大于平衡距离时，分子力表现为引力。当分子间的距离大于 10-9m 时，引力和斥力消失，分子力为零。所以，分子间的作用力属于短程力。22分子作用半径分子力的有效作用范围，叫做分子作用半径，数值等于
4、 10-9m，以此值为半径所做的球，称为分子作用球。3液体的表面层和附着层由于液体具有流动性而往往盛于容器中，这样液体就会与固体和上面的气体相接触，在气-液表面取厚度等于分子作用半径（10 -9m）的液体薄层，叫做液体的表面层，如图（2）所示。而液体与固体接触的液体薄层，叫做液体的附着层。固体分子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力，液体内部分子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力。（二）液体的表面张力1对表面张力的两种解释董品泸主编的物理学中（以下简称“物理学1” ） ，对表面张力的解释为：表面层的液体分子一方面受液体内部分子的作用，另一方面受液面上方气体分子的微弱作用，这两种特殊作用的结果
5、，使表面层中液体分子的分布比液体内部稀疏。由于表面层中液体分子间的距离大于平衡距离，分子间表现为引力，即液体的表面张力。如图（3） ，MN 为液体表面的分界线，分界线左边的分子对分界线右边的分子产生的引力为 F1，右边分子对左边分子的引力为 F2，F 1 与 F2大小相等，方向相反，与液面相切。 1 王鸿儒主编的物理学中（以下简称“物理学2” ） ，对表面张力的解释为：如图（4） ，M 1 为液体表面分子，M 2 为液体内部分子，以分子作用半径为半径，以 M1、M 2 为球心分别做球。在液体内部，由于分子分布均匀，M 2 受到来自各个方向的分子力大小相等，因此其合力为零。以 M1 为球心的分子
6、作用球，一部分在液体内部，另一部分在气体中，M 1 受到1 董品泸， 物理学 ，四川科学技术出版社，1992 年 图（1）分子力气体液体表面层液体图（2）液体表面层MNF1F2图（3）图（4）M1M23的来自液体内部分子的作用力大于气体分子的作用力，其合力向下，使液面处于一种特殊的紧张状态，宏观上表现为表面张力。 22对两种解释方式的分析、比较。从图（3）来看，表面张力作用在液体表面，而从图（4）来看，好像表面张力垂直于液体表面，二者是否矛盾呢？在常温、常压下，空气的密度是 1.293kg/m3，其平均分子量是 29；水的密度是 103kg/m3，其分子量是 18；相同环境、相同体积时，水的摩
7、尔数与空气的摩尔数之比为：（10 3 18）（1.29329）1246 倍，即体积相同时，水的分子数约是空气分子数的 1246 倍。如图（5） ，表面层中的液体分子 M1，受水面上方较少空气分子的作用，受水面以下较多的液体分子的作用，将所受力进行合成，则 M1 在竖直方向和水平方向的合力分别如图（6）所示，F 2F 1 使液面处于紧绷状态，与“物理学2”解释一致；F 3F 4，即 M1 受到来自左边的分子力等于右边的分子力，与“物理学1”的解释一致。由此可知，以上两种关于表面张力的阐述并不矛盾， “物理学1”中对表面张力的解释是“物理学2”的简化版。在表面张力的作用下，液体表面总是收缩到最小面
8、积，体积相同的各种形状中，球形的面积最小，所以液体表面一般呈球形。表面张力不仅存在于气-液表面，在两种不相溶的液 -液界面，同样存在表面张力的作用，其产生机理与气- 液界面相似。三、影响表面张力系数大小的因素表面张力的大小 FL, L 为分界线的长度， 为表面张力系数，数值上等于单位面积上表面张力的大小。表面张力的大小主要决定于表面张力系数，而表面张力系数决定于液体的性质、液体的温度、溶质的性质和浓度。（一）液体性质的影响对于气-液表面，表面张力是气体分子和液体内部分子共同作用的结果，在自然条件下液体的表面张力主要决定于液体的性质，当液体分子间的作用力远远大于气体分子之间的作用力时，表面层的液
9、体分子所受的合力越大，即表面张力越大。而分子力2 王鸿儒， 物理学 ，北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社，1991 年图（5）M1F1F2F3 F4图（6）M14越大的液体，其密度也越大。由表（1）所给的数据可以看出，密度越大的液体，其表面张力系数越大，表面张力就越大。由表（1）还可以看出，酒精和乙醚是两种挥发性很强的液体，其密度比较小，表面张力系数也比较小，可见越容易挥发的液体，表面张力越小。物质 温度（ 0c）密度（kg/m 3）表面张力系数(N/m)水银 20 13.6103 5410-2水 20 0.9998103 7.27510-2水 40 0.9922103 6.95610-
10、2水 60 0.98323103 6.61810-2酒精 20 0.8103 2.210-2乙醚 20 0.71103 1.710-2对于液-液界面，表面张力是由两种液体分子共同作用的结果，因此表面张力决定于相接触地两种液体的性质。如：表（2）中的数据表明，当两种液体的密度相差越大时，其界面的表面张力系数也越大。所以，液体的表面张力与液体的密度相关。物质 表面张力系数(N/m) 物质 表面张力系数(N/m)水银-水 42710 -2 水-汽油 33610 -2水银-乙醇 39910 -2 水-乙醚 12210 -2（二）液体温度的影响表（1）中的测量数据显示，当水的温度升高时，其表面张力呈下降
11、的趋势。其原因可解释为：当水的温度大于 40C 时，随着温度的升高，水的体积膨胀，对于一定质量的水，体积 V 增大时，密度 减少（=m/v）,水分子之间的距离增大，分子力减弱，则水的表面张力减小。根据 Harkins 给出的水的表面张力系数与温度的关系式：7.57960.145T0.00024T 2, 7.5796 为 00C 时水的表面张力系数，此式的适用范围是 100C60 0C,T 的单位为摄氏度。根据此式可以计算出 200C、40 0C 时，水的表面张力系数分别是 7.2810-2 N/m、6.9610 -2 N/m,与表（1）的测量值相近。可见，水表（1）表面张力系数与密度表（2）液
12、-液表面张力系数（室温下）5的表面张力随温度的升高而下降。不仅水的表面张力如此，其他液体的表面张力也有相同的规律。如酒精在100C、20 0C、30 0C 时，表面张力分别为 2.5210-2 N/m、2.2710 -2 N/m、2.1510 -2 N/m。（三）溶质性质和浓度的影响1溶质性质的影响往溶剂中加入溶质配制成溶液时，容剂的表面张力系数将发生变化。例如：往水中加入肥皂液，水的表面张力系数减小；往水中加入蔗糖，水的表面张力系数增加。容剂的表面张力系数设为 1,溶质的表面张力系数设为 2，当 2 1时，溶液的表面张力系数增加；当 2 1时，溶液的表面张力系数减小。能使容剂的表面张力系数增
13、加的物质，称为非表面活性物质，如食盐、蔗糖、淀粉等；能使容剂的表面张力系数减小的物质，称为表面活性物质，如肥皂、酒精、蛋黄素等。2溶质浓度的影响以水溶液为例，当往水中加入非表面活性物质时，溶液的浓度增加，表面张力系数也随之稍有增加。当往水中加入表面活性物质时，可出现两种类型：如图（7）所示，第一种类型，当溶液的浓度增加时，表面张力系数减小，如醇、醛、酸、酯、胺及其衍生物等水溶液；第二种类型，在低浓度时，随着溶液浓度的增加，表面张力系数急剧下降，当溶液的浓度继续增加时，表面张力系数基本不再变化，如高直碳链的有机酸和烷基磺酸盐等水溶液。日常生活中，人们常用的洗衣粉里添加了表面活性剂，目的是降低水的
14、表面张力，增加衣物的浸湿效果，有效去除污迹。而洗衣粉中的表面活性剂（烷基苯磺酸钠）属于第二种类型。人们往往认为洗衣服时，洗衣粉放的越多，洗的越干净，其实这是一种错误的做法，因为溶液的表面张力不会随浓度的增加一直下降。实践证明溶液的浓度在 0.2%0.5%时，去污效果是最好的。四、表面张力的实验探讨表面张力和浮力有由一个共同的特点，就是都可以使轻小的物体浮于液体表面，致使人们对一些现象的解释出现错误。如：一分硬币浮于水面，有人认为是浮力的作用，而实际是表面张力在起主要作用。由于表面张力容易和浮力相混淆，为此，本文设计了以下三浓度表面张力系数图（7）溶液浓度与表面张力系数126个实验，在实验观察与
15、分析的过程中可以体会表面张力和浮力的不同作用。（一）实验现象及分析1实验一，如图（8）所示（1）操作过程：将水倒入玻璃杯中，从玻璃杯上方 5 厘米处，用滴管向水中滴一滴食用油。（2）实验观察：油滴进入水中时即刻呈球形，并向下运动且速度减慢，当速度减为零时，又开始向上浮动，当油滴浮出水面时，球形油滴逐渐变成圆形油膜吸附在水面上。（3）现象分析：当油滴进入水中时，形成油-水表面层，表面层液体分子之间的引力即表面张力，促使液体表面收缩到最小面积，使油滴成球形。可见，油滴进入水中呈球形，是由于表面张力的作用。由于受重力作用，油滴从滴管口滴出时作向下的加速运动；进入水面后，因为油的密度小于水的密度，油滴
16、所受浮力大于重力，其合力向上，所以油滴在水中做向下的减速运动，速度变为零后则开始向上浮动。当油滴浮出水面时，油滴不仅与水接触，还与空气接触，在水面上形成了油-水、油-空气、水-空气三个表面层，此时三个表面张力共同作用于油滴，如图（9） ，F 1表示水与空气接触面的表面张力，F 2表示油与空气接触面的表面张力，F 3表示水与油接触面的表面张力。水的密度为 1.0103kg/m3，油的密度为 0.90.93103kg/m3，空气的密度为1.29kg/m3；液体的密度越大，分子间的相互作用力也越大，因此，水的分子力大于油的分子力，油的分子力又大于空气的分子力；而表面张力的大小由相互接触的两种流体的分
17、子力的合力决定，由此可以判断出表面张力 F1F 2F 3，当 F1大于 F2与 F3的合力时，油滴便由球形逐渐被拉伸成椭球形，最终变成圆形油膜吸附在水面上。2实验二，如图（10）所示。（1）操作过程：将食用油倒入玻璃杯中，用滴管向油中滴一滴水。（2）实验观察：水滴进入油中呈球形，缓慢的在水中下水油滴图（8）F1F2F3图（9）水滴油图（10）7降，一段时间后沉在杯底，形状变得扁平。（3）现象分析：由于水-油表面层的表面张力作用，水滴进入油中成球形；又因为水的密度大于油的密度，所以水滴受到的浮力小于重力，其合力向下，在合力的作用下水滴缓慢下沉；当沉于杯底时，所受浮力消失；由于水与玻璃杯是浸润的，
18、玻璃对水的附着力大于水的内聚力，这两个力与水-油界面表面张力的共同作用，使水滴最终变成扁平状附着在杯底，如图（11）所示,F 1表示附着力，F 2表示内聚力，F 3、F 4表示水-油界面的表面张力。由于水滴的重力与所受的支持力合力为零，因此在图中没有画出。3实验三，如图（12）所示。 （1）实验操作：将白酒（56 度）倒入玻璃杯中，用滴管向酒中滴几滴食用油。（2）实验观察：油滴进入酒中成球形，有的靠近液面，有的悬浮在液体中间。（3）现象分析：由于油-酒表面层的表面张力作用，油滴进入酒中成球形；球形油滴可以悬浮在酒中，可以判断油的密度与白酒的密度相等，所以油滴受到的浮力等于重力。（二）实验结论由
19、实验一可以看到，油漂浮于水面主要是浮力的作用，表面张力的作用是使油滴进入水中呈球形，浮于水面时呈圆形油膜。由实验三可以看到，油滴悬浮于白酒中时，既受到浮力作用，使油滴保持悬浮状态，又受到表面张力的作用，使油滴保持球形。实验二中，水滴所受的浮力小于重力，水滴下沉，表面张力的作用是保持水滴的形状。由此可以推断，当物体浮于水面时，可能会同时受表面张力和浮力的作用，如果物体的密度大于水的密度，表面张力起主要作用，如钢针浮于水面；如果物体的密度小于水的密度，则浮力起主要作用，如油滴浮于水面。五、表面张力在呼吸过程中的作用作为空气通道的气管，向下分为左右两个支气管，在支气管的末端与半球形的气室相连，即肺泡
20、。在肺泡内壁有一层很薄的液体分子，与肺泡内的气体形成液-气界面，即液体表面层，表面层中的表面张力有促使液体表面收缩到最小面积的趋势，即球形，这也正是油滴白酒图（12）F1F2F3 F4图（11）8肺泡呈球形的原因吧。由于表面张力的收缩作用，使其在吸气过程中（肺泡扩张）起阻力作用，在呼气过程中（肺泡缩小）起动力作用。表面张力约占到肺的弹性回缩力的三分之二，因此表面张力在呼吸过程中起着重要的作用。肺泡的表面张力不是恒定不变的，而是随着呼吸过程不断的变化着。吸气时肺泡膨胀，表面张力逐渐变大，增加了肺泡膨胀的阻力，使肺泡不会变得很大以至破裂；呼气时表面张力逐渐变小，使肺泡不会萎缩以至消失。表面张力的改
21、变是靠什么来调节的呢？肺泡表面能分泌表面活性剂，由多种胆固醇、磷脂和蛋白质等组成。成年人的肺泡大约有 3-4 亿个，而且肺泡的大小不同，但表面活性剂在不同肺泡上分布的量是一定的。吸气时肺泡膨胀变大，由于肺泡表面层的面积增加，而使表面活性剂的浓度变小，表面张力增大；呼气时肺泡缩小，肺泡表面层的面积减小，使表面活性剂的浓度变大，从而表面张力变小。肺泡表面活性剂具有保持大小肺泡平衡的作用。如图（10） ，人体的大小肺泡是相通的，由表面张力而产生的附加压强 PS=2/R，如果没有表面活性剂的调节，大小肺泡表面张力系数相同，而小肺泡的半径小于大肺泡，小肺泡中的气体受到的附加压强大于大肺泡，使气体由小肺泡
22、流向大肺泡，大泡会越变越大以至破裂，小泡会越变越小以至萎缩。然而，人体的大小肺泡能够共存且保持平衡，正是得益于表面活性剂的调节作用，使大肺泡的表面张力系数大于小肺泡的表面张力系数，P S 大 =2 大 /R， PS 小 =2 小 /r，P S 大 = PS 小 ，大小肺泡保持平衡。肺泡表面活性剂还有防止肺水肿的作用。由于表面活性物质对表面张力的有效调节，使肺泡正常的膨胀、回缩，保障了肺组织间隙的压强处于适合状态，防止毛细血管中的液体进入肺组织间隙，又由于肺内壁的表面层在表面张力作用下象绷紧的薄膜，可防止肺间隙的液体进入肺内，以保持肺泡内的干燥。当人体发高烧时，由于体温升高，导致肺表面张力系数减
23、小，肺的弹性回缩力减弱，使吸气过程加深（肺泡易于膨胀） ，呼气过程变浅（肺泡回缩困难） ，血液中的二氧化碳排出量减少而发生积聚，进而刺激呼吸中枢产生兴奋，使呼吸加快。r Rr图（10）9由此可见，只有肺泡表面活性剂分泌正常，才能保障正常的呼吸运动；当表面活性剂减少或受其他因素影响使表面张力系数减小时，就会出现一系列的病理现象。结束语：液体的表面张力是分子之间的引力，虽然不是很强大，但是却在人们的生活中扮演着非常重要的角色。有了表面张力的调节作用，人体才能保持正常的呼吸。人们有了对表面张力的充分认识，才能很好的加以应用，如：使衣物不缩水并能洗涤更干净。本文的目的也正是帮助人们认识和了解液体的表面张力。
