• 沒有找到結果。

液體的表面張力是存在於液體表面,可使液面的表面積縮至最小值的拉力,

而表面張力的成因如下說明:

(一)分子觀點

液體表面上的分子,除了與容器壁及靠近的一小部分的液體分子,會受到 器壁表面分子的吸引力(附著力)外,其實的液體表面分子則僅受到受到液面 上方空氣分子的吸引力(附著力)與液面下方液體分子的吸引力(內聚力), 由於液體分子的密度大於空氣分子的密度,且液體分子間的吸引力大於液體分 子與空氣分子之間的作用力,因此液體表面上的分子受到較大的向下力作用,

而有向液內移動的傾向,此傾向即為使液面縮成最小表面積的原因,表面張力 彷彿一個彈性皮膜(如下圖四)支撐住液面上的物體。

(二)能量觀點

在液面的分子,由於在液面上下兩方所受的力並不相等,液面上的部分受 到以氣化的分子的吸引力,液面下的部分仍受液內分子的吸引,在因為氣化分 子密度較小且與液面分子的距離遠大於分子力的範圍,故在液面的分子受一個

往液內拉的力量。當液內分子到達表面時,因受此拉力的影響,速率會降低,

其動能會減少。以能量的角度而言,當此水分子到達表面時,其動能減少,位 能增加。所以若液體表面越大,則在表面的分子越多,故其總位能越大,但在 力學裡一個質點系統在穩定平衡時,一定在最小的位能,所以液體若在平衡狀 態,則使其面積最小,以使其有最小的位能,因此表面張力會使其縮小為最小 的表面積,成為一個彈性皮膜,物體若在水面上若是因為受到表面張力作用而 不至於沈入水中的話,是會站立在水面上的,也就是不會有在水面下的部分,

好比水皿踏波而行。

圖四:表面張力示意圖,o 代表水分子

上述的表面張力是指液體與空氣界面所表面的張力,但有時接觸面不止一 個,例如將一油滴滴於水面上,最初油滴凝聚一處,但漸會散開,而形成油膜,

此時有三個界面均有表面張力,及油-空氣、油-水及水-空氣此三個界面均有 表面張力如下圖五所示 T1 為油與空氣的表面張力,T2 為油與水的表面張力,

T3 為水與空氣的表面張力。

圖五:水、油及空氣間的表面張力

表面張力的大小會受到液體溫度、液體純度、液體沸點等因素改變。當液 體溫度越高,粒子所擁有的動能較大,粒子比較能夠自由移動,造成粒子間的 空隙變得比較大,因此粒子跟粒子之間的作用力較小,表面張力變弱,所以溫 度越高,則液體的表面張力越小。液體純度越純,代表液體裡面異類分子較少,

因為異類分子會增加附著力而破壞內聚力,因此液體純度越純,表面張力越 大。每個粒子本身的特性以及所擁有的能量各不相同,本身能量比較低的液 體,沸點就會比較高,也因為能量低所以粒子所擁有的動能比較小,而動能較 小的話粒子比較不會移動,粒子之間的空隙較小,粒子跟粒子之間的作用力較 大,所以表面張力較大。

水龍頭口的水滴,通常是以球形的形狀掉落下來,主要的原因是由於受到表 面張力的作用,使得液體收縮成球形,因為在體積固定的情況下,球形相較於其 它形狀來說,球形的表面積最小,與空氣接觸的面積較小,液體內部的作用力越 大,位能最低,系統較為穩定。

位能越低,系統越穩定,又表面張力為物質的性質,若接觸的物質不變,表 面張力則為固定值,T=E/A,T 為表面張力、E 為位能、A 為總表面積,因此表面 張力會使物體的體積縮至最小,方能穩定。

三、 浮力

相較之下,浮力則是物體在水中因為受到壓力造成的(如下圖六),物體在 水中所受到的左右壓力大小相互抵銷,而下方受到的壓力造成浮力向上。B(浮 力)=ρvg,ρ 為液體密度、v 為液面下的體積、g 為重力場強度。因此,若一

個物體是因為受到浮力作用而不沈入水中,那麼此物體必定會有在水裡的部分。

圖六:水壓示意圖(箭頭代表物體在水中受到壓力的大小與方向)