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  毛線13號(hào) 2006-10-23 00:00:00

  神奇的表面張力 在日常生活中，我們對(duì)見到的一些現(xiàn)象可能已經(jīng)習(xí)以為常，認(rèn)為它們理應(yīng)如此，但是為什么會(huì)這樣，就沒有過多地去想了。比如，下過雨后，我們可以見到樹葉、草上的小水珠都接近于球形；不小心打碎了體溫計(jì)后，里面的水銀掉到地上，小水銀滴也呈球形。另外我們也可以表演一個(gè)小魔術(shù)，在一杯水里，小心地把一枚針?biāo)椒胖迷谒嫔?，針浮在水面上而不沉于杯，并且在針下面的水面上形成一個(gè)凹面。如果做得相當(dāng)熟練，你甚至可以用鈕扣、小巧的平面形金屬或來代替針。所有這些現(xiàn)象都與表面張力有關(guān)。 那么，什么是表面張力呢？原來液體與氣體相接觸時(shí)，會(huì)形成一個(gè)表面層，在這個(gè)表面層內(nèi)存在著的相互吸引力就是表面張力，它能使液面自動(dòng)收縮。表面張力是由液體分子間很大的內(nèi)聚力引起的。處于液體表面層中的分子比液體內(nèi)部稀疏，所以它們受到指向液體內(nèi)部的力的作用，使得液體表面層猶如張緊的橡皮膜，有收縮趨勢(shì)，從而使液體盡可能地縮小它的表面面積。我們知道，球形是一定體積下具有Z小的表面積的幾何形體。因此，在表面張力的作用下，液滴總是力圖保持球形，這就是我們常見的樹葉上的水滴按近球形的原因。 表面張力的方向與液面相切，并與液面的任何兩部分分界線垂直。表面張力僅僅與液體的性質(zhì)和溫度有關(guān)。一般情況下，溫度越高，表面張力就越小。另外雜質(zhì)也會(huì)明顯地改變液體的表面張力，比如潔凈的水有很大的表面張力，而沾有肥皂液的水的表面張力就比較小，也就是說，潔凈水表面具有更大的收縮趨勢(shì)。 不光液體與氣體之間的表面層，液體與固體器壁之間也存在著“表面層”，這一液體薄層通常叫做附著層，它也一樣存在著表面張力。這一表面張力決定了液體和固體接觸時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：不浸潤和浸潤現(xiàn)象。水銀掉到玻璃上，是呈現(xiàn)出球形，也就是說，水銀與玻璃的接觸面具有收縮趨勢(shì)，這種現(xiàn)象為不浸潤。而水滴掉到玻璃上，是慢慢地沿玻璃散開，接觸面有擴(kuò)大趨勢(shì)，這種現(xiàn)象為浸潤。水銀雖然不能浸潤玻璃，但是用稀硫酸把鋅板擦干凈后，再在板上滴上水銀，我們將會(huì)看到，水銀慢慢地沿鋅板散開，而不再呈球形。所以說，同一種液體能夠浸潤某些固體，而不能浸潤另一些固體。水銀能浸潤鋅，而不能浸潤玻璃；水能浸潤玻璃，而不能浸潤石蠟。 浸潤和不浸潤兩種現(xiàn)象，決定了液體與固體器壁接觸處形成兩種不同形狀：凹形和凸形。 現(xiàn)在我們就明白了前面介紹的小魔術(shù)中，不沉沒的原因了，它實(shí)際上利用了水具有很大的表面張力的性質(zhì)和不浸潤現(xiàn)象。如果我們事先把表面涂上一層油，就可以輕易放在水面上而不會(huì)沉沒。在工程技術(shù)和日常生活中，人們經(jīng)常利用水不溶解油這一特性。像在紙傘上涂油漆做成雨傘；給金屬器材涂機(jī)油，防止因水引起生銹；甚至在選礦方法中，也用到水不浸潤涂了油的物體的性質(zhì)。浮選礦法就是把砸碎的礦石放到池中，池里放上水和只浸潤有用礦物的油，使它們涂上薄薄一層油，再向池中輸送空氣，這樣氣泡就附在有用礦物粒上，把它們帶到水面，而與巖石等雜質(zhì)分離開。 表面張力產(chǎn)生的一個(gè)重要現(xiàn)象是毛細(xì)現(xiàn)象。也就是說浸潤液體在細(xì)管里上升，不浸潤液體在管里下降。我們可以很容易做一個(gè)小試驗(yàn)來觀察這種現(xiàn)象。把細(xì)玻璃管放入盛水的槽中，這時(shí)水很快從細(xì)玻璃管中上升，管中的水平面比水槽中水平面還要高，管子越細(xì)，上升越高，并且管中水面是凹形的。若水槽中放的是水銀，情況則恰恰相反，管中液面低于水槽中水銀的平面。 浸潤液體為什么能在毛細(xì)管中上升呢？原來，浸潤液體與毛細(xì)管內(nèi)壁接觸時(shí)，引起液面凹形，而表面張力是沿著液面切向作用的，所以沿著管壁作用的表面張力形成一個(gè)向上的合力，使得管內(nèi)液體上升，直到表面張力的向上拉引作用和管內(nèi)升高的液柱重量相等為止。同樣的道理，對(duì)不浸潤液體，毛細(xì)管壁的表面張力的合力方向向下，使管內(nèi)液體下降。 我們平常所見到的用毛巾擦汗、粉筆吸干紙上墨水等現(xiàn)象都可用毛細(xì)現(xiàn)象來說明，毛巾、棉花、粉筆、土壤等物體，內(nèi)部有許多小細(xì)孔，起著毛細(xì)管作用。在酒精中，用棉線作燈芯，可以使酒精沿?zé)粜旧仙?；而若用絲線來作燈芯，可能點(diǎn)不著酒精燈。這是因?yàn)榫凭荒芙櫧z線，在絲線燈芯中酒精是下降的。 毛細(xì)現(xiàn)象對(duì)植物生長也具有很重要的意義，它們所需要的養(yǎng)分和水分就是由根、葉子和莖中的小管從土壤中吸上來，輸送到綠葉里的。這就象不停止的抽水機(jī)，不知疲倦地把水分、養(yǎng)分送到植物的每一個(gè)細(xì)胞。另外，土壤中有很多毛細(xì)管，地下的水分沿著這些毛細(xì)管上升到地面蒸發(fā)掉。如果要保存地下的水分來供植物吸收，就應(yīng)當(dāng)鋤松表面的土壤，切斷這些毛細(xì)管，減少水分的蒸發(fā)。所以農(nóng)民常在雨后給莊稼松土，來保持水分。 利用毛細(xì)現(xiàn)象，人們還生產(chǎn)出各種鋼筆、簽字筆和彩色水筆。當(dāng)用它們?cè)诩埳蠒鴮憰r(shí)，紙馬上顯現(xiàn)出字跡來，這是我們平日所見慣了的，但卻很少有人想到，為什么寫字的時(shí)候，墨水會(huì)源源不斷地出來，而不寫字的時(shí)候，它就不跑出來？現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，這是依靠鋼筆身上一系列毛細(xì)槽和筆尖上的細(xì)縫，把筆膽內(nèi)的墨水輸送到筆尖；而簽字筆和彩色水筆的筆尖是與一根細(xì)長的管子相連，管內(nèi)壁有吸滿了墨水的棉卷，有的彩色水筆筆尖也是用含多個(gè)毛細(xì)孔的材料做的。寫字時(shí)，筆尖一碰到紙，墨水就附著在紙上，并在紙上面留下字跡。 當(dāng)不寫字的時(shí)候，墨水為什么不流出呢？我們?nèi)钥勺隽硪粚?shí)驗(yàn)來解釋。把一塊硬紙板蓋在盛上水的玻璃杯上（杯內(nèi)不必裝滿水），按住紙板，迅速將杯子倒過來，并把手從硬紙板上移開。此時(shí)，發(fā)生一奇怪現(xiàn)象：硬紙板停在原處，水仍留在杯內(nèi)不流出來。難道一杯水的重量推不動(dòng)一張紙嗎？不是的。這是由于大氣壓強(qiáng)與水的表面張力共同作用的結(jié)果。當(dāng)把玻璃杯倒置后，水柱有些下降，這就減小了杯內(nèi)的氣壓，水柱頂部與底部之間的壓力差克服了水柱本身的重量而使杯內(nèi)的水流不出來；水與紙片和水與玻璃之間的表面張力也使紙板保持在原來的位置上。不寫字的時(shí)候，筆內(nèi)的墨水不流出來的道理也是一樣的。 表面張力的用途遠(yuǎn)不止以上所談到的這些，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及微循環(huán)系統(tǒng)中，它也有著廣泛的應(yīng)用；玩具制造廠也常利用它生產(chǎn)出各種有趣的玩具

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