在日常生活中,,我們對見到的一些現(xiàn)象可能已經(jīng)習(xí)以為常,認(rèn)為它們理
應(yīng)如此,,但是為什么會這樣,,就沒有過多地去想了。比如,,下過雨后,,我們
可以見到樹葉、草上的小水珠都接近于球形,;不小心打碎了體溫計后,,里面
的水銀掉到地上,小水銀滴也呈球形,。另外我們也可以表演一個小魔術(shù),在
一杯水里,,小心地把一枚針?biāo)椒胖迷谒嫔?,針浮在水面上而不沉于杯?br />并且在針下面的水面上形成一個凹面。如果做得相當(dāng)熟練,,你甚至可以用鈕
扣,、小巧的平面形金屬或硬幣來代替針。所有這些現(xiàn)象都與表面張力有關(guān),。
那么,,什么是表面張力呢?原來液體與氣體相接觸時,,會形成一個表面
層,,在這個表面層內(nèi)存在著的相互吸引力就是表面張力,它能使液面自動收
縮,。表面張力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的,。處于液體表面層中的分
子比液體內(nèi)部稀疏,所以它們受到指向液體內(nèi)部的力的作用,,使得液體表面
層猶如張緊的橡皮膜,,有收縮趨勢,從而使液體盡可能地縮小它的表面面積。
我們知道,,球形是一定體積下具有小的表面積的幾何形體,。因此,在表面
張力的作用下,,液滴總是力圖保持球形,,這就是我們常見的樹葉上的水滴按
近球形的原因。
表面張力的方向與液面相切,,并與液面的任何兩部分分界線垂直,。表面
張力僅僅與液體的性質(zhì)和溫度有關(guān)。一般情況下,,溫度越高,,表面張力就越
小。另外雜質(zhì)也會明顯地改變液體的表面張力,,比如潔凈的水有很大的表面
張力,,而沾有肥皂液的水的表面張力就比較小,也就是說,,潔凈水表面具有
更大的收縮趨勢,。
不光液體與氣體之間的表面層,液體與固體器壁之間也存在著“表面
層”,,這一液體薄層通常叫做附著層,,它也一樣存在著表面張力。這一表面
張力決定了液體和固體接觸時,,會出現(xiàn)兩種現(xiàn)象:不浸潤和浸潤現(xiàn)象,。水銀
掉到玻璃上,是呈現(xiàn)出球形,,也就是說,,水銀與玻璃的接觸面具有收縮趨勢,
這種現(xiàn)象為不浸潤,。而水滴掉到玻璃上,,是慢慢地沿玻璃散開,接觸面有擴
大趨勢,,這種現(xiàn)象為浸潤,。水銀雖然不能浸潤玻璃,但是用稀硫酸把鋅板擦
干凈后,,再在板上滴上水銀,,我們將會看到,水銀慢慢地沿鋅板散開,,而不
再呈球形,。所以說,,同一種液體能夠浸潤某些固體,而不能浸潤另一些固體,。
水銀能浸潤鋅,,而不能浸潤玻璃;水能浸潤玻璃,,而不能浸潤石蠟,。
浸潤和不浸潤兩種現(xiàn)象,決定了液體與固體器壁接觸處形成兩種不同形
狀:凹形和凸形,。
現(xiàn)在我們就明白了前面介紹的小魔術(shù)中,,硬幣不沉沒的原因了,它實際
上利用了水具有很大的表面張力的性質(zhì)和不浸潤現(xiàn)象,。如果我們事先把硬幣
表面涂上一層油,,硬幣就可以輕易放在水面上而不會沉沒。在工程技術(shù)和日
常生活中,,人們經(jīng)常利用水不溶解油這一特性,。像在紙傘上涂油漆做成雨傘;
給金屬器材涂機油,,防止因水引起生銹,;甚至在選礦方法中,也用到水不浸
潤涂了油的物體的性質(zhì),。浮選礦法就是把砸碎的礦石放到池中,,池里放上水
和只浸潤有用礦物的油,使它們涂上薄薄一層油,,再向池中輸送空氣,,這樣
氣泡就附在有用礦物粒上,把它們帶到水面,,而與巖石等雜質(zhì)分離開。
表面張力產(chǎn)生的一個重要現(xiàn)象是毛細(xì)現(xiàn)象,。也就是說浸潤液體在細(xì)管里
上升,,不浸潤液體在管里下降。我們可以很容易做一個小試驗來觀察這種現(xiàn)
象,。把細(xì)玻璃管放入盛水的槽中,,這時水很快從細(xì)玻璃管中上升,管中的水
平面比水槽中水平面還要高,,管子越細(xì),,上升越高,并且管中水面是凹形的,。
若水槽中放的是水銀,,情況則恰恰相反,管中液面低于水槽中水銀的平面。
浸潤液體為什么能在毛細(xì)管中上升呢,?原來,,浸潤液體與毛細(xì)管內(nèi)壁接
觸時,引起液面凹形,,而表面張力是沿著液面切向作用的,,所以沿著管壁作
用的表面張力形成一個向上的合力,使得管內(nèi)液體上升,,直到表面張力的向
上拉引作用和管內(nèi)升高的液柱重量相等為止,。同樣的道理,對不浸潤液體,,
毛細(xì)管壁的表面張力的合力方向向下,,使管內(nèi)液體下降。
我們平常所見到的用毛巾擦汗,、粉筆吸干紙上墨水等現(xiàn)象都可用毛細(xì)現(xiàn)
象來說明,,毛巾、棉花,、粉筆,、土壤等物體,內(nèi)部有許多小細(xì)孔,,起著毛細(xì)
管作用,。在酒精中,用棉線作燈芯,,可以使酒精沿?zé)粜旧仙?;而若用絲線來
作燈芯,可能點不著酒精燈,。這是因為酒精不能浸潤絲線,,在絲線燈芯中酒
精是下降的。
毛細(xì)現(xiàn)象對植物生長也具有很重要的意義,,它們所需要的養(yǎng)分和水分就
是由根,、葉子和莖中的小管從土壤中吸上來,輸送到綠葉里的,。這就象不停
止的抽水機,,不知疲倦地把水分、養(yǎng)分送到植物的每一個細(xì)胞,。另外,,土壤
中有很多毛細(xì)管,地下的水分沿著這些毛細(xì)管上升到地面蒸發(fā)掉,。如果要保
存地下的水分來供植物吸收,,就應(yīng)當(dāng)鋤松表面的土壤,,切斷這些毛細(xì)管,減
少水分的蒸發(fā),。所以農(nóng)民常在雨后給莊稼松土,,來保持水分。
利用毛細(xì)現(xiàn)象,,人們還生產(chǎn)出各種鋼筆,、簽字筆和彩色水筆。當(dāng)用它們
在紙上書寫時,,紙馬上顯現(xiàn)出字跡來,,這是我們平日所見慣了的,但卻很少
有人想到,,為什么寫字的時候,,墨水會*地出來,而不寫字的時候,,
它就不跑出來,?現(xiàn)在我們已經(jīng)知道,這是依靠鋼筆身上一系列毛細(xì)槽和筆尖
上的細(xì)縫,,把筆膽內(nèi)的墨水輸送到筆尖,;而簽字筆和彩色水筆的筆尖是與一
根細(xì)長的管子相連,管內(nèi)壁有吸滿了墨水的棉卷,,有的彩色水筆筆尖也是用
含多個毛細(xì)孔的材料做的,。寫字時,筆尖一碰到紙,,墨水就附著在紙上,,并
在紙上面留下字跡。
當(dāng)不寫字的時候,,墨水為什么不流出呢,?我們?nèi)钥勺隽硪粚嶒瀬斫忉尅?br />把一塊硬紙板蓋在盛上水的玻璃杯上(杯內(nèi)不必裝滿水),按住紙板,,迅速
將杯子倒過來,,并把手從硬紙板上移開。此時,,發(fā)生一奇怪現(xiàn)象:硬紙板停
在原處,水仍留在杯內(nèi)不流出來,。難道一杯水的重量推不動一張紙嗎,?不是
的。這是由于大氣壓強與水的表面張力共同作用的結(jié)果,。當(dāng)把玻璃杯倒置后,,
水柱有些下降,,這就減小了杯內(nèi)的氣壓,水柱頂部與底部之間的壓力差克服
了水柱本身的重量而使杯內(nèi)的水流不出來,;水與紙片和水與玻璃之間的表面
張力也使紙板保持在原來的位置上,。不寫字的時候,筆內(nèi)的墨水不流出來的
道理也是一樣的,。
表面張力的用途遠(yuǎn)不止以上所談到的這些,,在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及微循環(huán)系
統(tǒng)中,,它也有著廣泛的應(yīng)用,;玩具制造廠也常利用它生產(chǎn)出各種有趣的玩具。
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