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毛細現象：表面張力和接觸角兩者有什么關系？
來源： 趨一仿真等整編 瀏覽 2011 次 發(fā)布時間:2024-07-22
一根細管伸入水中，通常我們會看到管內的液面高度比管外的高，這時我們就說有一個力將管內的水往上提，這個力叫做毛細力，稱這種現象叫毛細現象。
也有另外一種毛細現象，管內的液面高度低于外面的情況，此時毛細力將管內液面往下壓：
為什么會有這樣的現象，有時表現為將液體往上提，有時表現為往下壓呢？
解答上述問題，可以從毛細高度的計算公式中找到答案。
從這個公式可以看出，液體的表面張力、液體與固體表面的接觸角是產生毛細現象的原因。往上提還是往下壓，則取決于cosθ的正負（接觸角θ取值范圍0~180°，當θ大于90°時，cosθ為負，此時h取值小于0，代表管內液面低于管外液面）。
什么是表面張力
促使液體表面收縮的力叫做表面張力，它的產生原因是界面處分子間的作用力不平衡。
上圖左邊表示的是液體內部的水分子，受到周邊水分子各個方向均勻的吸引力，合力為零；右邊表示處于表面的水分子，受到下方水分子的吸引力，上方無水分子不存在吸引力，這樣下方水分子合力不為零，方向往液體內部。
我們常說某種液體的表面張力是多少，實際上指的是這種液體的表面張力系數是多少。表面張力系數σ是在溫度T和壓強p不變的情況下吉布斯自由能G對面積S的偏導數，其中吉布斯自由能的單位是能量單位，因此表面張力系數的單位是能量/面積。另一種定義方式如下：
Y=F/L
為了測量液體的表面張力，可以用這樣的理想裝置：
液體的表面張力促使液面收縮，對滑塊有一個向左的拉力，當我們用一個向右的力與之平衡時，可以獲得力的大小，然后與滑塊的長度一起可以算出表面張力系數。
表面張力系數只與液體本身狀態(tài)有關，常見液體的表面張力（系數）如下：
什么是接觸角
接觸角（contact angle）是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線，此切線在液體一方的與固-液交界線之間的夾角θ，是潤濕程度的量度。
實際上，不僅氣、液、固三相會有這樣的表現，當兩種液體互不相溶時，液、液、固界面也會形成一定角度的接觸角。
接觸角是由液體分子之間的相互作用力和液體與固體之間的相互作用力共同決定的，前面講到液體表面張力是由液體本身分子間凝聚力（cohesive）在界面不平衡導致的，而接觸角則是固體表面對液體分子的粘性力（adhesive）與液體內部分子間凝聚力共同作用產生的。
當粘性力大時，接觸角為銳角，表現為液體容易浸潤固體表面；當粘性力小時，液體內部凝聚力將液體分子聚攏起來，接觸角為鈍角，表現為液體不容易浸潤固體表面。
表面張力和接觸角是什么關系？
接觸角（contact angle）是指在液體/氣體界面接觸固體表面而形成的夾角。接觸角是液體表面張力的常見測量方式，可以反映液滴內的分子以及其與下方表面如何相互作用。例如，水在玻璃等表面上的接觸角很小，其滴在玻璃上就會呈現為“珠狀”，而高酒精濃度的酒精滴液則有更大的接觸角，其在玻璃上就會平坦地展開。