液体表面张力及实验探讨摘要：日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。

本文在研读文献的基础上，从分子力的角度对表面张力的概念进行了阐释，然后分析了影响表面张力大小的因素。

在一些现象中人们通常会将表面张力与浮力相混淆，本文设计了三个简便易行的实验，通过实验现象的观察及分析，说明表面张力和浮力的不同作用。

最后，由于表面张力在人体的呼吸过程中起着重要作用，本文在研读文献的基础上给与归纳、描述，并且从表面张力的角度分析了人体在高烧的时候，呼吸加快的原因。

本文意在通过简洁的论述和图示，让人们了解表面张力及其在生活中的应用。

关键词：表面张力；浮力；呼吸过程一、问题的提出日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。

如：日常生活中人们见到的液滴往往呈球形，是液滴表面张力作用的结果。

下雨天人们使用的雨伞是布面的，有微小的缝隙却不漏雨，是雨水表面张力作用的结果。

在人体每时每刻的呼吸中，表面张力同样起着非常重要的作用：表面张力使大小不同的肺泡保持一定的形状，不会使大肺泡因扩大而爆裂，也不会使小肺泡因缩小而萎陷；表面张力的这种变化是肺泡表面活性物质所起到的调节作用。

用纯水很难吹出泡泡，然而往水中加入一些表面活性物质，就可以很容易的吹出又大又圆的泡泡了。

同样，往洗涤剂中加入表面活性物质，不仅可以使洗涤剂更好的溶于水，还可以增强衣物的浸湿效果，更有效的去除污迹。

可以说表面张力与人们的日常生活形影不离，要很好的利用表面张力，就要了解表面张力的含义。

二、表面张力的概念（一）相关概念1．分子力物质是由分子构成的，分子间的相互作用，叫做分子力。

如图（1）所示，当分子之间的距离等于10-10m时，分子间的引力等于斥力，对外不显示力的作用，因此10-10m叫做分子的平衡距离，用r0表示。

当分子间的距离小于平衡距离时，分子力表现为斥力；当分子间的距离大于平衡距离时，分子力表现为引力。

当分子间的距离大于10-9m时，引力和斥力消失，分子力为零。

所以，分子间的作用力属于短程力。

2．分子作用半径分子力的有效作用范围，叫做分子作用半径，数值等于10-9m ，以此值为半径所做的球，称为分子作用球。

3．液体的表面层和附着层由于液体具有流动性而往往盛于容器中，这样液体就会与固体和上面的气体相接触，在气-液表面取厚度等于分子作用半径（10-9m ）的液体薄层，叫做液体的表面层，如图（2）所示。

而液体与固体接触的液体薄层，叫做液体的附着层。

固体分子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力，液体内部分子对附着层液体分子的作用力，叫做附着力。

（二）液体的表面张力1．对表面张力的两种解释 董品泸主编的《物理学》中（以下简称“《物理学》1”），对表面张力的解释为：表面层的液体分子一方面受液体内部分子的作用，另一方面受液面上方气体分子的微弱作用，这两种特殊作用的结果，使表面层中液体分子的分布比液体内部稀疏。

由于表面层中液体分子间的距离大于平衡距离，分子间表现为引力，即液体的表面张力。

如图（3），MN 为液体表面的分界线，分界线左边的分子对分界线右边的分子产生的引力为F 1，右边分子对左边分子的引力为F 2，F 1与F 2大小相等，方向相反，与液面相切。

[1]王鸿儒主编的《物理学》中（以下简称“《物理学》2”），对表面张力的解释为：如图（4），M 1为液体表面分子，M 2为液体内部分子，以分子作用半径为半径，以M 1、M 2为球心分别做球。

在液体内部，由于分子分布均匀，M 2受到来自各个方向的分子力大小相等，因此其合力为零。

以M 1为球心的分子作用球，一部分在液体内部，另一部分在气体中，M 1受到的来自液体 [1] 董品泸，《物理学》，四川科学技术出版社，1992年图（1）分子力 气体液体表面液体 图（2）液M N F 1 F 2 图（3） 图（4） M 1 M 2内部分子的作用力大于气体分子的作用力，其合力向下，使液面处于一种特殊的紧张状态，宏观上表现为表面张力。

[2]2．对两种解释方式的分析、比较。

从图（3）来看，表面张力作用在液体表面，而从图（4）来看，好像表面张力垂直于液体表面，二者是否矛盾呢？在常温、常压下，空气的密度是1.293kg/m 3，其平均分子量是29；水的密度是103kg/m 3，其分子量是18；相同环境、相同体积时，水的摩尔数与空气的摩尔数之比为：（103／18）／（1.293／29）≈1246倍，即体积相同时，水的分子数约是空气分子数的1246倍。

如图（5），表面层中的液体分子M 1，受水面上方较少空气分子的作用，受水面以下较多的液体分子的作用，将所受力进行合成，则M 1在竖直方向和水平方向的合力分别如图（6）所示，F 2＞F 1使液面处于紧绷状态，与“《物理学》2”解释一致；F 3＝F 4，即M 1受到来自左边的分子力等于右边的分子力，与“《物理学》1”的解释一致。

由此可知，以上两种关于表面张力的阐述并不矛盾，“《物理学》1”中对表面张力的解释是“《物理学》2”的简化版。

在表面张力的作用下，液体表面总是收缩到最小面积，体积相同的各种形状中，球形的面积最小，所以液体表面一般呈球形。

表面张力不仅存在于气-液表面，在两种不相溶的液-液界面，同样存在表面张力的作用，其产生机理与气-液界面相似。

三、影响表面张力系数大小的因素表面张力的大小F ＝αL, L 为分界线的长度，α为表面张力系数，数值上等于单位面积上表面张力的大小。

表面张力的大小主要决定于表面张力系数，而表面张力系数决定于液体的性质、液体的温度、溶质的性质和浓度。

（一）液体性质的影响对于气-液表面，表面张力是气体分子和液体内部分子共同作用的结果，在自然条件下液体的表面张力主要决定于液体的性质，当液体分子间的作用力远远大于气体分子之间的作用力时，表面层的液体分子所受的合力越大，即表面张力越大。

而分子力越大 [2] 王鸿儒，《物理学》，北京医科大学 中国协和医科大学联合出版社，1991年图（5） M 1 F 1 F 2 F 3 F 4 图（6） M 1的液体，其密度也越大。

由表（1）所给的数据可以看出，密度越大的液体，其表面张力系数越大，表面张力就越大。

由表（1）还可以看出，酒精和乙醚是两种挥发性很强的液体，其密度比较小，表面张力系数也比较小，可见越容易挥发的液体，表面张力越小。

表（1）表面张力系数与密度物质温度（0c）密度（kg/m3）表面张力系数(N/m)水银20 13.6×10354×10-2水20 0.9998×1037.275×10-2水40 0.9922×103 6.956×10-2水60 0.98323×103 6.618×10-2酒精20 0.8×103 2.2×10-2乙醚20 0.71×103 1.7×10-2对于液-液界面，表面张力是由两种液体分子共同作用的结果，因此表面张力决定于相接触地两种液体的性质。

如：表（2）中的数据表明，当两种液体的密度相差越大时，其界面的表面张力系数也越大。

所以，液体的表面张力与液体的密度相关。

表（2）液-液表面张力系数（室温下）物质表面张力系数(N/m) 物质表面张力系数(N/m)水银-水42．7×10-2水-汽油3．36×10-2水银-乙醇39．9×10-2水-乙醚1．22×10-2（二）液体温度的影响表（1）中的测量数据显示，当水的温度升高时，其表面张力呈下降的趋势。

其原因可解释为：当水的温度大于40C时，随着温度的升高，水的体积膨胀，对于一定质量的水，体积V增大时，密度ρ减少（ρ=m/v）,水分子之间的距离增大，分子力减弱，则水的表面张力减小。

根据Harkins给出的水的表面张力系数与温度的关系式：α＝7.5796－0.145T－0.00024T2, 7.5796为00C时水的表面张力系数，此式的适用范围是100C～600C,T的单位为摄氏度。

根据此式可以计算出200C、400C时，水的表面张力系数分别是7.28×10-2 N/m、6.96×10-2N/m,与表（1）的测量值相近。

可见，水的表面张力随温度的升高而下降。

不仅水的表面张力如此，其他液体的表面张力也有相同的规律。

如酒精在100C 、200C 、300C 时，表面张力分别为2.52×10-2 N/m 、2.27×10-2 N/m 、2.15×10-2 N/m 。

（三）溶质性质和浓度的影响1．溶质性质的影响往溶剂中加入溶质配制成溶液时，容剂的表面张力系数将发生变化。

例如：往水中加入肥皂液，水的表面张力系数减小；往水中加入蔗糖，水的表面张力系数增加。

容剂的表面张力系数设为α1,溶质的表面张力系数设为α2，当α2＞α1时，溶液的表面张力系数增加；当α2＜α1时，溶液的表面张力系数减小。

能使容剂的表面张力系数增加的物质，称为非表面活性物质，如食盐、蔗糖、淀粉等；能使容剂的表面张力系数减小的物质，称为表面活性物质，如肥皂、酒精、蛋黄素等。

2．溶质浓度的影响以水溶液为例，当往水中加入非表面活性物质时，溶液的浓度增加，表面张力系数也随之稍有增加。

当往水中加入表面活性物质时，可出现两种类型：如图（7）所示，第一种类型，当溶液的浓度增加时，表面张力系数减小，如醇、醛、酸、酯、胺及其衍生物等水溶液；第二种类型，在低浓度时，随着溶液浓度的增加，表面张力系数急剧下降，当溶液的浓度继续增加时，表面张力系数基本不再变化，如高直碳链的有机酸和烷基磺酸盐等水溶液。

日常生活中，人们常用的洗衣粉里添加了表面活性剂，目的是降低水的表面张力，增加衣物的浸湿效果，有效去除污迹。

而洗衣粉中的表面活性剂（烷基苯磺酸钠）属于第二种类型。

人们往往认为洗衣服时，洗衣粉放的越多，洗的越干净，其实这是一种错误的做法，因为溶液的表面张力不会随浓度的增加一直下降。

实践证明溶液的浓度在0.2%～0.5%时，去污效果是最好的。

四、表面张力的实验探讨表面张力和浮力有由一个共同的特点，就是都可以使轻小的物体浮于液体表面，致使人们对一些现象的解释出现错误。

如：一分硬币浮于水面，有人认为是浮力的作用，而实际是表面张力在起主要作用。

由于表面张力容易和浮力相混淆，为此，本文设计了以下三个实验，在实验观察与分析的过程中可以体会表面张力和浮力的不同作用。

浓度图（7）溶液浓度与表面张力系数（一）实验现象及分析1．实验一，如图（8）所示（1）操作过程：将水倒入玻璃杯中，从玻璃杯上方5厘米处，用滴管向水中滴一滴食用油。

（2）实验观察：油滴进入水中时即刻呈球形，并向下运动且速度减慢，当速度减为零时，又开始向上浮动，当油滴浮出水面时，球形油滴逐渐变成圆形油膜吸附在水面上。