表面与界面物理力学:让你真正明白“表面张力
今天咱们一同进入一个新的领域——【表面与界面物理力学】。那么就从我们最常听说的名词——“表面张力”入手吧。
先来点准备知识——
表面与界面
表面(surface)是指【凝聚相】与【气体/真空】之间的分界面。
界面(interface)是指【凝聚相】与【凝聚相】之间的分界面。
凝聚相,可以理解为“固相+液相”。
表面能——形成表面的代价
分子在材料的本体(bulk)中,四面八方都有其它的小伙伴,形成均匀的作用力和距离。
但是,表面的出现,使得一些分子变得不同,它们的外侧是气体或真空,几乎没有作用力,这使得表面上的分子“很不安分”,产生了额外的能量——表面能。
如何理解“表面能”呢?
比如,你把一块巧克力掰成了两半,巧克力发生的变化仅仅是增加了两个表面,而你掰的过程必须消耗掉能量 E,因此每个表面的表面能就是 E/2。
所以,表面能代表的是巧克力与空气的差异;同理,所谓“界面能”,就是表征界面两侧两种物质的差异,差异越大,界面能越大。
表面张力——减少表面能的努力
自然界的大道之一,就是“最小能量原理”。一个液滴,会自发地寻找能量最小的形状,这里的能量就是表面能,而在表面上的作用力就是表面张力。
太空无重力下的汞滴,会自发形成一颗完美的圆球;空中漂浮的肥皂泡,也会自发地形成一个个球形薄膜——
因为,在相同体积的物体中,球的表面积是最小的,物质会自发地趋向于表面积最小。
这是因为,表面能 正比于 面积。
下面咱们展开来看一看这其中的关系。
单位中蕴含重要原理
表面张力的单位为【N/m】,经过换算,我们发现【N/m】=【J/m^2】。
从这个等价单位可以看出,表面张力其实是“单位面积上的能量”。即:
表面张力 = 表面能密度
这样,我们就更容易理解公式——
表面能[J] = 表面张力[N/m] × 面积[m^2]
其实就是——
表面能[J] = 表面能密度[J/m^2] × 面积[m^2]
以上其实是“量纲分析”的一种典型应用,为了简单,采用“单位”的方式叙述,其实道理是一样的。
拓展:压强就是压力能密度
由以上分析,我们可以想到,压强的单位——
【Pa】=【N/m^2】=【J/m^3】
是否有所启发?
是的。压强,其实就是压力能(储存于三维体)的密度。
对应的,表面张力,是表面能(储存于二维面)的密度。
还记得流体力学中的"静力学方程"吗——
其实就是单位体积的能量守恒——动能+重力势能+压力能 为常量。
对流体力学感兴趣的同学可移步——
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