表面张力

表面张力是液体表面层由于分子间作用力不平衡而产生的一种使液面尽可能收缩的力。我们可以从以下几个层面理解：

1. 分子间作用力视角
   液体内部的分子受到周围分子的引力在各个方向上基本平衡，但表面层的分子仅受到下方和侧向分子的引力（上方气相分子密度低，作用可忽略）。这种不对称作用导致表面分子受到指向液体内部的净吸引力，使液面如同张紧的弹性薄膜。宏观表现为液滴自发呈球形（相同体积下表面积最小）。

2. 能量表述与定量定义
   表面张力γ定义为增加单位表面积所需做的功（单位：J/m²或N/m）。公式表示为 γ = ΔW/ΔA，其中ΔW是外界做功，ΔA是新生成的表面积。例如水在20℃时表面张力为0.0728 N/m，意味着扩大1cm²液面需做功7.28×10⁻⁷ J。

3. 影响因素分析

• 温度：温度升高使分子动能增加，削弱净吸引力，表面张力降低。
• 物质性质：极性液体（水）因强氢键作用呈现高表面张力（72.8 mN/m），而非极性液体（苯）仅约29 mN/m。
• 杂质：表面活性剂（如肥皂）定向吸附在界面，破坏原有分子间作用力，显著降低表面张力。

4. 宏观现象诠释

• 毛细现象：当液体润湿管壁（如玻璃-水体系），表面张力拉动液面上升，高度差满足h=2γ/(ρgr)。
• 泡沫形成：表面张力阻止液膜破裂，但过高表面张力会加速液膜排液导致泡沫不稳定。
• 曲率压力：弯曲液面两侧存在附加压力ΔP=2γ/R（球形液面），解释为何小液滴更易蒸发。