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表面张力与毛细现象

在流体力学中，了解表面张力和毛细现象的概念是至关重要的，因为它们解释了许多日常观察和自然现象。这些概念不仅告诉我们流体与表面如何相互作用，还涉及流体内部的作用力。以下课程探讨了流体力学这两个有趣的方面。

什么是表面张力？

表面张力是液体表面的一个特性，使其'感觉'像一个被拉伸的弹性膜。这种现象是由液体分子之间的内聚力造成的。表面张力是液滴形状形成的原因，也是昆虫能够在水上行走的原因，以及许多其他效应。

在分子水平上，液体中的每个分子都被相邻的分子在各个方向上同等地拉动，导致净力为零。然而，液体表面的分子没有在各个方向上周围的分子；它只受到下面的分子的显著力。这种不平衡缩小了表面并减少了表面积，这促成了我们观察到的表面张力现象。

在上述插图中，红色线条表示作用在表面分子上的力，这些力是向内的，造成了'拉伸'表面效应。

表面张力的数学表达

表面张力（通常用σ或T表示）通常以牛顿每米（N/m）为单位测量。它被定义为增加液体表面积所需的每单位面积的能量量。另一种定义是沿垂直于表面的线每单位长度施加的力。

从数学上讲，表面张力可以通过公式表示：

σ = F/L

其中F是力，L是接触长度。

表面张力的例子

表面张力最简单的例子是打蜡的汽车上的水滴。蜡是疏水的（排斥水），因此当水放在其表面时，液体内部的内聚力使其形成水滴，最小化与表面的接触和液体的表面积。

另一个常见的例子是小针能够浮在水面上，即使它比水要密。水中的表面张力通过在表面上形成一种“皮肤”效应有效地支持针。

什么是毛细现象？

毛细现象或毛细作用是流体在没有外部力量（如重力）帮助的情况下乃至于逆着外部力量流经狭小空间的能力。这种行为在液体通过细管、孔隙材料或任何其他受限空间上升时观察到。

毛细现象的解释

毛细现象是由流体与管壁或多孔物质之间的粘附力和流体的表面张力引起的。粘附力指的是不同物质分子之间的吸引力，例如毛细管中水分子和玻璃分子之间的吸引力。

当流体与管材料之间的粘附力强于流体内的内聚力时，流体将在管中上升。相反，如果内聚力占主导地位，流体将下降，或者表面将变得凹陷。

毛细现象的数学表达

液体在毛细管中上升的高度由公式给出：

h = (2σcosθ) / (ρgr)

其中：

h是液体上升的高度。
σ是液体的表面张力。
θ是液体与管表面的接触角。
ρ是流体的密度。
g是重力加速度。
r是管的半径。

毛细现象的例子

如何作用毛细现象的一个经典例子是一根薄玻璃管，如吸管，放在水中。毛细效应会导致吸管内的水升高到高于管外的水位。

毛细现象在植物通过其叶子的微小孔隙从根部吸水的过程中也很重要。通过称为木质部的微小管道，水被向上拉动，帮助提供水分和养分到整个植物。