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而张力有关的现象。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？这就是因为液体表而张力的作用结果。当用细管吹岀一个个五彩缤纷的肥皂泡 时，在泡膜的表而上就布满了液体表而张力。用数学可以证明，在体积相同的各种形状的几 何体中，球体的表而积最小。正是由于表而张力的作用，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，任表而张力的作用下，气泡将会阻 碍血液的正常流动。

下而就来分析一下液体的表而张力，以及液体表而现象发生的原因。

1表面张力的成因、大小和方向

表而张力就是促使液体表而收缩的力。液体与气体的交界而（属于液体薄层），称为表 而层。在表而层中，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 使表而层液体分子密度小于液内分子密度。表而层中液体分子的这种布局，使得液体表而层 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而张力作 用之下。

这里应指岀，液体表而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。而液体表而张力却不受而枳变化的影响，当液体表而层而积增大时， 液内分子会自动进入液面来补充，从而维持液而内分子间距不变。

可以用一个很简单的实验，来可说明表而张力的存在。取一段铜丝制成一个直径约 5〜&•加的圆环，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岀， 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，液体表而具有收缩到最小而积的趋势。同时它 还表明，表而张力的方向垂直于任一周界线且与液而相切。

理论和实验表明，表而张力的大小，可用如下公式表示：

F = aL （单表面层）

' F = 2aL （双表而层）

上式中，◎称为表而张力系数。a与液体的种类、温度等因素有关。不同的液体，a不 同：同一种液体，◎随温度升髙而减小。另外，&也与液体中的杂质有关。因此，当人体 使用了某些药物后，血液或尿液的表而张力系数则会发生变化。

在生活中有许多与表而张力有关的现象。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。但表而张力对某些昆虫来说则有可能造成很大威胁，小昆虫有时最怕表而张力。 当一个成人从浴池中站起时，他身上会带起厚约02巾“的一层水，这些水大约0.5R&,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，英表而 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（几）

下而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）。

对于球形液而，由于液面是弯曲的，其表而张力将产生一个附加压强（用几衣示）。 球形液而附加压强的大小可以用球而膜的拉普拉斯公式来计算：

（双表面层，如球形肥皂泡）

（单表面层，如球形霜珠）

（近似半球形液而，如毛细管中的水而）

上式表明，几的大小与表而张力系数成正比，与球而的半径成反比。附加压强心的方 向总是指向球形液而的球心（或是指向弯曲液而的曲率中心）。

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立的阻碍。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。护上在给病人输液时必须排 除管路中气泡，就是基于这个道理。

下而运用表而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心和/q,且 PA>PB，管两端压强差^ = pA-PliO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= pA - pH作用，气泡左、右两 端面就会发生形变，左端液而的曲率半径变大，右端液而的曲率半径变小。由于弯曲液而附 加压强与液而的曲率半径成反比，这时左端液而的附加压强小于右端液而的附加压强 PSB。气泡两端而的附加压强之差为Ws=PsB—PsA‘ Ss的方向由B指向A （向右），总与 液体流动方向相反。如果此时①这时液体仍可带动该气泡一起流动。

如果管中有“个气泡，这些气泡的附加压强差为”Ws。只有当"®时，液体才 可能带动这些气泡一起流动。如果一旦发生了 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而，使附着层扩展，这称为浸润现象（如水对淸洁的玻璃）：另一 种是液体不能附着在固体表而，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而现象。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 4aT2aT2aT 一一

一一 = 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而积增大，表而张力则要收缩表而层，以抗衡所造成的表而层 的而积增大，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 收缩必将引起表而层的面积增大，表面张力则要收缩表面层，以抗衡所造成的表面层的而积 增大，最终当表而张力、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，苴结果都使液面在细管中形 成凹的或凸的弯月而。浸润时，液而是凹的（如水在细玻璃管内液而为凹而）：不浸润时， 液而是凸的（如水银在细玻璃管内液面为凸面）。很显然，细管的内径越小，液而的弯曲程 度越接近于半球而。

通常把内径很细（一般小于\mm ）的管子称为毛细管（因管径细如毛发而得此划）o 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而髙，管内径越小，管内的水柱表而就越高。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而低, 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而升髙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而上升为例来分析这个问题， 这英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而层的而积增大： 二是凹弯月而上的表而张力为了使液而收缩，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、表而张力和上 升液柱所受重力这三个力平衡时，管内液柱则稳左在一泄髙度。很显然，管内径越细，管内 液柱的上升越髙。同样道理，也可说明不浸润液体在毛细管内液而下降的现象。

下而来计算毛细现象中液而上升的高度。为了方便数学处理，可近似认为毛细管内的液 面为半球而。设毛细管的内半径为『，液体的表而张力系数为“。这时表而张力的合力方向 竖直向上，其作用周界为2加，表而张力的合力为F = "ra •当液体在毛细管内上升的高 度为〃时，表而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°，则这 段液柱所受的重力为G = pgm 'h。因为F = G ,所以27n-a = pgTD-'h ,由此可得

PH

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，管内液柱就越髙。上式同样适用于汁算不浸润液 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淸创，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-气交界而，因

而具有表而张力。此表而张力会在肺泡内表而产生一个附加压强心=—。

在人的肺泡内表而上分布着一种能减小表而张力系数的物质。这种表而活性物质是二软 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 表而张力系数。对维持人的正常呼吸具有重要意义。

下而就来分析一下表而张力在呼吸过程中的作用。

当吸气时，肺泡容积增大，肺泡内表而上的表而活性物质的密度随着减少，降低表面张 力系数的作用减小，肺泡表而张力系数相应增大，有利于转向呼气。当呼气时，肺泡容积减 小，肺泡内表而上的表而活性物质的密度随着增加，能显著降低表而张力系数，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呈:，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而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，表而张力的作用使肺泡完全闭合。在临产时肺泡内表而开始分泌表而活性物质，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。

肺泡上的表而活性物质在肺泡II型上皮细胞内合成，然后释放于肺泡内表而，又由巨噬 细胞不断地淸除，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，表而张力系 数将不能得到有效的调节，这时肺的功能将会发生障碍。

如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合!