液体表面张力和毛细现象的探究

在液体内部，液体分子之间的内聚力是相互平衡的，但在液体与气体相交界的自由表面上，内聚力之间就不平衡了，交界面下侧的内聚力使自由面收缩，在交界面上形成张紧的分子膜。表面张力就是指这种分子膜中的拉力。在两种不相混合的液体之间的分界面上也会形成分子膜和表面张力。液体表面张力的大小与此液体和何种流体组成交界面有关。表1-1中的数据都是指液体与空气组成的交界面。

表面张力σ方向与自由液面相切，并与所取面元边缘相垂直，σ的大小是指所取面元单位边缘长度上的拉力，故σ的量纲为MT-2，单位是N/m。

由于表面张力是由液体分子间内聚力不平衡造成的，温度上升则内聚力减小，故表面张力将随温度的上升而减小。自然界中存在许多有表面张力作用的现象，如毛细现象、气泡或液滴的生成等。

毛细现象在流体力学实验中经常遇到，比如在液体中插入一根竖直的细管，会产生液面上升或下降的情况，称为毛细现象。

在液体中插入一根细管后的情况如图1-8所示。如果液体能浸湿管壁，则管内液面将上升h高度，液面呈凹形，比如水在毛细管内的情况；反之，如液体不能浸湿内壁面，则管内液面将下降h高度，液面呈凸形，比如汞在毛细管内的情形。毛细管内液面上升或下降的高度h与液体的表面张力、管径以及流体的重度有关，计算公式为

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图1-7　旋转式黏度计的原理结构

图1-8　毛细现象示意

式中，γ为液体的重度；r为毛细管半径；θ为接触角。