表面张力是什么（表面张力沿着什么方向）

表面张力。

第1部分：强迫，而不是简单的迎合。

熟悉物理的朋友一定很熟悉周围的力：重力、弹性、支撑、库仑力.每次提到一个力的名字，大部分都能想出一个示意图，在这个示意图中，你在两个相互作用的物体之间推拉。

图1重力和支撑力示意图

这种理解虽然直观，但缺乏更深层次的视角，无法真正理解什么是表面张力。那我该怎么办？再来看力对应的能量(尤其是势能)。以引力为例，你可能听说过引力势能，即地球附近的物体因为处于一定高度而包含的能量。更直观地说，如果地面是势能的零点，物体在重力作用下落地时所能释放的能量就是重力势能。

图2重力势能对比

如图2所示，如果边肖从一个相对较低的峰和一个相对较高的峰推下同一块石头，哪个释放的重力势能更大？显然是从更高的某某峰开始变大的。那么，大多少？

如果忽略重力随高度的变化，即石头的重力为常数g，那么答案是：

其中D1是两个峰之间的高度差。稍微变形一下，我们就能得到

这说明引力是单位高度的引力势能的变化！同样，弹簧力是单位长度弹性势能的变化，分子间力是单位长度分子间距离系统势能的变化.本来任何势能对应的力都可以这样理解。

此时，边肖优雅地问道：那么，什么是表面张力？

读者异口同声地回答：表面每单位面积增大带来的表面能变化！

边肖鼓掌问道：什么是表面能？表面张力是什么方向的？

读者沉默，期待边肖.

第二部分：紧张，只是吹个泡泡

其实上面提到的问题，从维度上就可以直观的看出来。我们都接触过做功的概念。像能量一样，功的单位是焦耳J.而功是物体受到的一定的力(单位N)与物体在力的方向上移动的距离(单位m)的乘积，即1j=1nm，那么，除了N，力的单位也可以写成J/m，即每移动1m所引起的能量的变化。

但是有一个物理量，它的量纲是J/m2，代表单位面积的能量，这个物理量就是比表面能。比表面能是一个涉及分子间相互作用的概念，我们需要从微观的角度去理解。

图3氮和水分子相互作用的势能图

微观世界有各种各样的分子，比如上图所示的氮气和水分子。由分子组成的系统的势能与分子间的距离有关。这种关系就像两个人的关系一样。离得远或近都不好。如果距离太近，两者之间没有自我空间，情绪会不稳定，所以会产生相互排斥的效果；如果距离太远，大家都太孤独，就会互相想念，互相吸引。当它们之间的距离恰到好处时，对应能量的最低点，相对稳定。

图4水-空气界面示意图

但是，这种关系的稳定性与双方的分子类型有关。如图4所示，对于水-空气界面，表面水分子周围有丰富的分子，包括空气中的其他水分子、氧、氮等分子。

图5内部水和地表水的对比

俗话说“物以类聚，人以群分”。同类的相似分子越多，关系往往越和谐，而不同分子之间的关系则相对疏远。物理上，同类分子间势能曲线的最低点更低。所以，对于一个存在于内部的水分子来说，如果到了地表，就需要断绝与同类分子的部分关系，换成一个相对“陌生”的空气分子，这显然是不情愿的！这体现在能量的增加上。那么，水分子是在什么情况下从内部来到表面的呢？是吹泡泡的时候了。

图6吹泡过程示意图

把戒指蘸点肥皂水，肥皂水的体积基本不变。当我们吹入空气使气泡的表面积变大时，自然气泡的厚度就会变薄。进一步解释就是更多的水分子会从内部来到表面，这个过程是内部分子所不愿意的，所以会带来能量的增加。那么，表面单位面积的能量增量是多少呢？这个值就是比表面能。

图7表面积的增加伴随着肥皂泡的变薄。

我们提到过比表面能的单位是J/m2，从力的角度来理解这个物理量对于处理一些问题更直观。我们经常把比表面能称为表面张力。而J/m2=N/m不是力的单位N，所以表面张力代表的是单位长度上作用在表面上的力。下图所示的实验中，肥皂水膜在力F的拉动下生长，表面张力为

其中，分母上的2来自于两面曲面的制作。

图8表面张力实验示意图|图片来自[1]

那么表面张力的方向是什么呢？我们还将力与重力和弹性进行类比。回过头来，我们不难发现，如果把表面张力理解为单位面积变形引起的能量增加，那么对应的力应该是指向能量减少的方向。对于表面张力，自然是使表面沿切线收缩的方向。

图9表面张力的方向

第三部分：追寻球体，张力与重力的斗争

在这部分开始之前，首先问一个问题：失重状态下，液滴会呈现什么形状？

稍微回忆一下，看过太空授课的读者应该都会想到悬浮在太空中的球形水滴。

是的，失重状态下的液滴是球形的，因为在一定体积内球体的表面积最小，所以球形液滴的总表面能最低。那么，在重力的情况下呢？

图11表面分子倾向于进入内部。

在液滴表面，每个分子都会受到沿切线方向的表面张力，相当于每个分子(如A和C)都在拉动周围的分子(如B)。B周围表面分子的合力指向内，倾向于进入内部。这种张力使液滴尽可能接近球体，也就是说，它的表面积尽可能小。然而，重力扮演着另一个角色。

图12重力的作用

引力的作用是希望每一个水分子都尽可能的低。显然，并不是重力势能最低的情况。所以表面张力和重力是有竞争的。

图13重力和张力的竞争

不难想象，如果张力很强，液滴会保持近似球形而不塌陷。如果张力太弱，无法与重力抗衡，液滴就会破裂。回到吹泡泡的问题，之所以一般用肥皂水蘸而不用纯水，是因为纯水的表面张力小，不足以和液膜的重力抗衡。但是在太空中，重力不再起作用，水膜可以稳定存在！

进一步就涉及到一个问题：不同物质的表面张力有什么关系？在定性方面，我们可以引入一个叫做亲和力的概念，它反映了界面两侧物质之间的亲和力。如果两边的物质非常兼容，那么留在里面和留在表面差别不大。毕竟大家相处，所以表面张力比较小。相反，如果双方的物质关系很疏远，表面张力就会

渗透现象，这个词可能大家都不熟悉，但相应的物理现象却很常见。比如下图的防水服和公交车车窗上的水滴，就是不渗透和渗透的代表性场景。

图15生活中的渗透和不渗透现象

仔细观察上面的场景，我们发现不仅仅是两种物质(准确的说应该是相，因为空气有复杂的成分)，而是三种——，一种是作为基质的固体，一种是液体和环境中的气体。因此，我们所面临的渗透问题所涉及的界面不是一种，而是三种成对组成的。

图16物质间关系示意图

自然，任何界面上都会存在表面张力，其大小与两侧物种的相对亲和力有关，方向指向使界面沿界面收缩的方向。最终的状态需要平衡这三个力的分量。

图17三个界面的界面张力竞争

对于渗透的情况，液体和固体物质之间的关系非常好，可以认为这个界面的表面张力太小，在最极端的情况下可以忽略。这样红蓝力的水平分量需要平衡，液滴的形状趋于扁平。一般将气液界面张力与液固界面张力之间的夹角称为接触角，对于有明显润湿现象的亲水表面来说，这个角度很小。

图18渗透的显微示意图

相反，对于疏水表面，固液界面的表面张力可能大到接触角只能达到钝角甚至接近180，称为不润湿或不润湿。这种表面因其高疏水性而被称为超疏水表面。

图19非润湿显微示意图

至此，有些读者可能已经猜到，荷叶表面是天然的超疏水物质，所以荷叶表面的水是近球形的。

不仅在自然界，在实验室中，科学家们还制备了效果更加显著的超疏水或超亲水表面。比如下图，极端的不湿润和湿润现象。

图21人造超疏水/超亲水表面|图片来自[2]

审计刘清