神奇的表面张力

在我们的日常生活中，我们可能已经习惯了我们看到的一些现象，并认为它们应该是，但我们没有过多考虑为什么它们应该是。例如，雨后，我们可以看到树叶和草地上的小水滴几乎是球形的。在意外打破温度计后，温度计中的水银掉到了地上，小水银滴呈球形。此外，我们还可以表演一个小魔术。在一杯水中，小心地将针头水平放置在水面上。针漂浮在水面上而不沉入杯中，并在针下方的水面上形成凹面。如果你很熟练，你甚至可以用纽扣、小金属平板或硬币来代替针。所有这些现象都与表面张力有关。

那么，什么是表面张力？事实证明，当液体与气体接触时，会形成一个表面层。这个表面层中存在的相互吸引是表面张力，它能使液体表面自动收缩。表面张力是由液体分子之间的大内聚力造成的。液体表面层中的分子比液体中的分子薄，因此它们受到指向液体内部的力的影响，使液体表面层像张紧的橡胶膜，具有收缩的趋势，从而使液体尽可能减小其表面积。我们知道球体是在一定体积下表面积最小的几何形状。因此，在表面张力的作用下，水滴总是试图保持球形，这就是为什么我们普通树叶上的水滴几乎是球形的。

表面张力的方向与液体表面相切，并垂直于液体表面任意两部分之间的分界线。表面张力只与液体的性质和温度有关。一般来说，温度越高，表面张力越小。此外，杂质可以明显改变液体的表面张力。例如，清水具有很大的表面张力，而沾有肥皂液的水具有较小的表面张力，也就是说，清水的表面有较大的收缩趋势。

液体和气体之间不仅有表面层，液体和固体壁之间也有“表面层”。这种薄层液体通常被称为粘附层，它还具有表面张力。这种表面张力决定了当液体和固体接触时，会有两种现象:非润湿和润湿。水银落在玻璃上，呈球形，也就是说，水银和玻璃的接触面有收缩的趋势，即不润湿。然而，当水滴落到玻璃上时，它们会沿着玻璃慢慢分散，接触面会膨胀。这种现象被称为渗透。虽然水银不能渗入玻璃，但在用稀硫酸擦拭锌板并将水银滴在锌板上后，我们会看到水银慢慢地沿着锌板扩散，而不是呈球形。因此，同样的液体可以渗透一些固体，但不能渗透其他固体。汞可以渗透锌，但不能渗透玻璃。水可以浸泡玻璃，但不能浸泡石蜡。

渗透和不渗透决定了液体和固体壁接触处形成两种不同的形状:凹面和凸面。

现在我们明白了为什么硬币在前面描述的魔术中不会下沉。它实际上利用了水的表面张力大和不渗透的特性。如果我们事先在硬币表面涂上油，硬币就可以很容易地放在水面上而不会下沉。在工程技术和日常生活中，人们经常利用水不溶于油的特性。就像画一把纸伞来做一把伞；给金属设备上油，防止因水而生锈；即使在矿物加工方法中，也利用了水不浸泡被覆物体的特性。浮选法是将粉碎的矿石放入池中，用只浸泡有用矿物的水和油填充池，使它们涂上一层薄薄的油，然后将空气输送到池中，使气泡附着在有用的矿物颗粒上，将它们带到水面，并将它们与岩石等杂质分离。

表面张力引起的一个重要现象是毛细现象。换句话说，浸润液体在小管中上升，而非浸润液体在小管中下降。我们可以很容易地做一个小实验来观察这一现象。将细玻璃管放入水箱，水就会从细玻璃管中迅速上升，管内水平面高于水箱内水平面，管越细，上升越高，管内水面呈凹形。如果把水银放在水箱里，情况正好相反。管道中的液位低于水箱中的汞液位。

为什么浸液会在毛细管中上升？最初，当浸没液体接触毛细管的内壁时，液体表面是凹入的，并且表面张力沿着液体表面的切线方向作用，因此沿着管壁作用的表面张力形成向上的合力，使得管中的液体上升，直到表面张力的向上拉动作用等于管中上升的液柱的重量。同样，对于非润湿液体，毛细管壁表面张力的合力是向下的，导致管中的液体下降。

我们通常看到的用毛巾擦汗和用粉笔在纸上吸墨水的现象可以用毛细现象来解释。毛巾、棉花、粉笔和土壤等物体内部有许多小孔，充当毛细管。在酒精中，用棉线做灯芯可以使酒精沿着灯芯上升。如果用丝线做灯芯，酒精灯可能不亮。这是因为酒精不能渗入丝线，丝线芯中的酒精会减少。

毛细现象对植物的生长也有重要意义。它们所需的养分和水分被根、叶和茎中的小管从土壤中吸收，并输送到绿叶中。这就像一个无尽的泵，不知疲倦地向植物的每个细胞输送水和营养。此外，土壤中有许多毛细血管，地下水沿着这些毛细血管上升到地面并蒸发。如果地下水要被植物吸收，地表的土壤应该被锄松，这些毛细管应该被切断，以减少水的蒸发。因此，农民经常在雨后疏松土壤以保持水分。

利用毛细现象，人们还生产各种钢笔、签字笔和彩色自来水笔。当用它们在纸上写字时，纸会立即显示笔迹，这是我们常见的，但是很少有人想到为什么墨水在写字时会不断流出，而在不写字时不会流出。现在我们已经知道，它依赖于笔体上的一系列毛细管槽和笔尖上的细缝，将笔筒中的墨水输送到笔尖。然而，签字笔和彩色自来水笔的笔尖是用一根细管连接的，细管的内壁装有充满墨水的棉卷，一些彩色自来水笔的笔尖也是由含有多个毛细孔的材料制成的。写字时，笔尖一接触到纸，墨水就会粘在纸上，并在纸上留下字迹。

当你不写的时候，为什么墨水不流出来？我们还可以做另一个实验来解释。将一块纸板盖在装满水的玻璃杯上(玻璃杯不需要装满水)，按住纸板，迅速将玻璃杯倒置，将手从纸板上拿开。这时，一个奇怪的现象发生了:纸板停在原处，水留在杯子里，没有流出来。一杯水的重量不能推一张纸吗？不。这是由于大气压力和水的表面张力的综合作用。当杯子倒置时，水柱轻微下降，这降低了杯子中的气压。水柱顶部和底部之间的压差克服了水柱本身的重量，并防止杯中的水流出。水和纸之间以及水和玻璃之间的表面张力也使纸板保持在原来的位置。当你不写字时，钢笔里的墨水不流出的原因是一样的。

表面张力的使用远远超过了上面提到的。它还广泛应用于生物、医学和微循环系统。玩具工厂也经常用它来生产各种有趣的玩具。