液体表面张力与液体表面现象

液体的表面张力与液体的表面现象在日常生活中，只要你稍加留意，就会观察到许多与液体表面张力有关的现象。

如草叶上晶莹剔透的露珠，荷叶上滚动着的小水滴，玻璃板上的小水银滴等，它们为什么都是球形或近似球形？这就是因为液体表面张力的作用结果。

当用细管吹出一个个五彩缤纷的肥皂泡时，在泡膜的表面上就布满了液体表面张力。

用数学可以证明，在体积相同的各种形状的几何体中，球体的表面积最小。

正是由于表面张力的作用，才会出现露珠、小水银滴等都收缩为球形的现象。

你若有机会观察护士给病人输液，你会看到在输液之前，护士总是要把输液管中的空气泡排除干净。

不然的话，若让那些气泡混入人体血管中，在表面张力的作用下，气泡将会阻碍血液的正常流动。

下面就来分析一下液体的表面张力，以及液体表面现象发生的原因。

1 表面张力的成因、大小和方向表面张力就是促使液体表面收缩的力。

液体与气体的交界面（属于液体薄层），称为表面层。

在表面层中，液体分子因受到液体内部分子的引力，而有一部分会被拉入液体内，致使表面层液体分子密度小于液内分子密度。

表面层中液体分子的这种布局，使得液体表面层就像一张“绷紧”的橡皮膜，而具有收缩趋势。

表面层一直处在具有收缩趋势的表面张力作用之下。

这里应指出，液体表面张力与橡皮膜张力在本质上是不同的。

橡皮膜的分子间距会随着膜面积的增大而增大。

而液体表面张力却不受面积变化的影响，当液体表面层面积增大时，液内分子会自动进入液面来补充，从而维持液面内分子间距不变。

可以用一个很简单的实验，来可说明表面张力的存在。

取一段铜丝制成一个直径约cm ～85的圆环，在环上跨系一根细红线（用红线易于观察）。

将环浸入洗洁精溶液再取出，环上蒙了一层液膜，这时用粉笔头轻触线一侧的液膜，原来自由弯曲的红线则立即被液膜拉向另一侧，成为一段张紧的弧线。

实验表明，液体表面具有收缩到最小面积的趋势。

同时它还表明，表面张力的方向垂直于任一周界线且与液面相切。

理论和实验表明，表面张力的大小，可用如下公式表示：⎩⎨⎧==)(2)(双表面层单表面层L F L F αα上式中，α称为表面张力系数。

α与液体的种类、温度等因素有关。

不同的液体，α不同；同一种液体，α随温度升高而减小。

另外，α也与液体中的杂质有关。

因此，当人体使用了某些药物后，血液或尿液的表面张力系数则会发生变化。

在生活中有许多与表面张力有关的现象。

例如，对人来说，重力有时会造成很大的麻烦。

人若不慎从高处落下，可能会被摔得不轻。

而小昆虫一点也不害怕重力，它在落下时一点危险也没有。

但表面张力对某些昆虫来说则有可能造成很大威胁，小昆虫有时最怕表面张力。

当一个成人从浴池中站起时，他身上会带起厚约mm 2.0的一层水，这些水大约kg 5.0，不到人体重的%1，这对人来说不会感到有什么负担。

即使是人的全身涂满了肥皂泡沫，其表面张力对人也不会产生任何威胁。

而一只蚊子一旦被肥皂泡沫弄湿，它将很危险。

这时蚊子将难逃表面张力“法网”。

2 球形液面的附加压强（s p ）下面来讨论球形液面附加压强的大小和方向。

这里使用球形液面进行分析，主要是考虑数学处理上的简便，所得结论也可以近似地应用于非球形的弯曲液面（也称弯月面）。

对于球形液面，由于液面是弯曲的，其表面张力将产生一个附加压强（用s p 表示）。

球形液面附加压强的大小可以用球面膜的拉普拉斯公式来计算：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧===)(2)(2)(4如毛细管中的水面近似半球形液面如球形露珠单表面层如球形肥皂泡双表面层，R p ，R p ，R p s s s ααα上式表明，s p 的大小与表面张力系数成正比，与球面的半径成反比。

附加压强s p 的方向总是指向球形液面的球心（或是指向弯曲液面的曲率中心）。

3 气体栓塞现象液体在细管中流动时，如果管中有气泡，液体的流动就会受到一定的阻碍。

若气泡数量过多，则可能发生堵塞，液体不能流动，即产生气体栓塞现象。

护士在给病人输液时必须排除管路中气泡，就是基于这个道理。

下面运用表面张力和附加压强知识来解释气体栓塞是如何形成的。

设液体在细管中从A 向B （从左向右）流动，并设管两端的压强分别为A p 和B p ，且B A p p >，管两端压强差B A p p p -=∆。

如果细管中有一个气泡，设气泡半径等于细管的半径，并且液体仍能流动，由于液体粘滞性以及受到压强差B A p p p -=∆作用，气泡左、右两端面就会发生形变，左端液面的曲率半径变大，右端液面的曲率半径变小。

由于弯曲液面附加压强与液面的曲率半径成反比，这时左端液面的附加压强SA p 小于右端液面的附加压强SB p 。

气泡两端面的附加压强之差为SA SB S p p p -=∆，S p ∆的方向由B 指向A （向右），总与液体流动方向相反。

如果此时S p p ∆>∆，这时液体仍可带动该气泡一起流动。

如果管中有n 个气泡，这些气泡的附加压强差为S p n ∆。

只有当p p n S ∆<∆时，液体才可能带动这些气泡一起流动。

如果一旦发生了p p n S ∆=∆的情形，液体将停止流动，从而形成气体栓塞。

在医疗工作中，要时刻注意避免在人体血管中形成气体栓塞。

4 浸润和不浸润现象液体跟固体接触的液体薄层，称作附着层。

在液体跟固体接触时，会出现两种情况，一种是液体能附着在固体表面，使附着层扩展，这称为浸润现象（如水对清洁的玻璃）；另一种是液体不能附着在固体表面，使附着层收缩，这称为不浸润现象（如水银对玻璃）。

浸润和不浸润现象就是液体和固体接触时发生在附着层上的液体表面现象。

产生这种现象的根本原因，来自于分子之间的相互作用。

处在附着层内的液体分子，受到两种吸引力的作用。

一种是液体分子之间的吸引力，这称为内聚力。

一种是液体分子和固体分子间的吸引力，这称为附着力。

如果内聚力小于附着力，附着层中的任一分子所受的合力与附着层垂直，且指向固体一侧，液体分子纷纷挤向附着层，附着层内液体分子增多，从而导致附着层扩展。

而附着层的扩展必将引起表面层的面积增大，表面张力则要收缩表面层，以抗衡所造成的表面层的面积增大，最终当表面张力、内聚力、附着力这三力平衡时，即形成浸润现象。

如果内聚力大于附着力，附着层中的任一分子所受的合力与附着层垂直，且指向液内一侧，液体分子纷纷挤向液体内部，附着层中的液体分子减少，从而导致附着层收缩。

附着层收缩必将引起表面层的面积增大，表面张力则要收缩表面层，以抗衡所造成的表面层的面积增大，最终当表面张力、内聚力、附着力三力平衡时，即形成不浸润现象。

5 毛细现象在管内径很细的细管中，不论液体对固体是浸润或不浸润，其结果都使液面在细管中形成凹的或凸的弯月面。

浸润时，液面是凹的（如水在细玻璃管内液面为凹面）；不浸润时，液面是凸的（如水银在细玻璃管内液面为凸面）。

很显然，细管的内径越小，液面的弯曲程度越接近于半球面。

通常把内径很细（一般小于mm 1）的管子称为毛细管（因管径细如毛发而得此名）。

若把几根内径不同的细玻璃管插入水中，这时因为水与玻璃是浸润的，则可看到管内水柱表面要比管外容器中的水面高，管内径越小，管内的水柱表面就越高。

若把几根细玻璃管插入水银中，所看到的现象正好与浸润时的相反，管内的水银柱表面会比管外容器中的水银面低，管内径越小，管内的水银柱表面就越低。

浸润液体在毛细管里液面升高现象和不浸润液体在毛细管里液面降低的现象，称为毛细现象。

为什么会发生毛细现象呢？现以浸润液体在毛细管中液面上升为例来分析这个问题，这其中包括多个力之间的相互作用。

一是由于附着力使附着层扩展而使表面层的面积增大；二是凹弯月面上的表面张力为了使液面收缩，就要把液面下的液体向上拉，导致液体在毛细管内上升；三是上升的液柱又受到方向向下的重力的作用。

直到出现附着力、表面张力和上升液柱所受重力这三个力平衡时，管内液柱则稳定在一定高度。

很显然，管内径越细，管内液柱的上升越高。

同样道理，也可说明不浸润液体在毛细管内液面下降的现象。

下面来计算毛细现象中液面上升的高度。

为了方便数学处理，可近似认为毛细管内的液面为半球面。

设毛细管的内半径为r ，液体的表面张力系数为α。

这时表面张力的合力方向竖直向上，其作用周界为r π2，表面张力的合力为απr F 2=。

当液体在毛细管内上升的高度为h 时，表面张力跟毛细管内上升液柱所受重力这二力平衡。

如果液体的密度是ρ，则这段液柱所受的重力为h r g G 2πρ=。

因为G F =，所以 h r g r 22πραπ=，由此可得grh ρα2= 上式表明，浸润液体在毛细管中上升的高度与表面张力系数成正比，与毛细管内半径跟液体密度的乘积成反比。

毛细管内径越细，管内液柱就越高。

上式同样适用于计算不浸润液体在毛细管内液柱的降低高度。

在医护工作中，用脱脂药棉制成棉签、棉球，常用于注射时消毒和外科清创，这是充分利用浸润时的毛细现象。

外科手术缝合线需要经过蜡处理，使其不浸润，以减少皮下组织液渗出，减少或排除细菌感染的机会，这是充分利用不浸润时的毛细现象。

6 肺泡上的表面张力由于肺泡内壁分布着一层粘性液体，它与肺泡内的气体之间形成一个液–气交界面，因而具有表面张力。

此表面张力会在肺泡内表面产生一个附加压强rP S α2=。

在人的肺泡内表面上分布着一种能减小表面张力系数的物质。

这种表面活性物质是二软酯酰卵磷脂与一种特殊的脱辅基蛋白相结合而成的脂蛋白。

这种物质的存在，能降低肺泡的表面张力系数。

对维持人的正常呼吸具有重要意义。

下面就来分析一下表面张力在呼吸过程中的作用。

当吸气时，肺泡容积增大，肺泡内表面上的表面活性物质的密度随着减少，降低表面张力系数的作用减小，肺泡表面张力系数相应增大，有利于转向呼气。

当呼气时，肺泡容积减小，肺泡内表面上的表面活性物质的密度随着增加，能显著降低表面张力系数，肺回缩力随之减弱，使缩小的肺泡不致萎缩，以维持正常的功能余气量，并有利于吸气时肺泡的重新扩张。

这说明，肺泡上的表面活性物质并不是简单地减小表面张力系数使肺泡易于扩张，而是随着呼吸周期来调节肺泡的表面张力系数。

同样道理，也可说明新生儿第一次呼吸和第一声啼哭的重要性。

胎儿的肺泡原为粘液所覆盖，表面张力的作用使肺泡完全闭合。

在临产时肺泡内表面开始分泌表面活性物质，但新生儿仍需以大声啼哭的强烈动作来克服表面张力作用，完成第一次呼吸，这样才有可能使肺泡具备正常的呼吸功能。

如果新生儿不能自主完成第一次呼吸（第一声啼哭），医护人员则要采取措施予以抢救。

肺泡上的表面活性物质在肺泡II 型上皮细胞内合成，然后释放于肺泡内表面，又由巨噬细胞不断地清除，因而能不断地更新。

如果这种表面活性物质合成不足或缺乏，表面张力系数将不能得到有效的调节，这时肺的功能将会发生障碍。