今天咱們一同進入一個新的領域——【表面與界面物理力學】。那么就從我們最常聽說的名詞——“表面張力”入手吧。

先來點準備知識——

表面與界面

表面（surface）是指【凝聚相】與【氣體/真空】之間的分界面。

界面（interface）是指【凝聚相】與【凝聚相】之間的分界面。

凝聚相，可以理解為“固相+液相”。

表面能——形成表面的代價

分子在材料的本體（bulk）中，四面八方都有其它的小伙伴，形成均勻的作用力和距離。

但是，表面的出現(xiàn)，使得一些分子變得不同，它們的外側是氣體或真空，幾乎沒有作用力，這使得表面上的分子“很不安分”，產生了額外的能量——表面能。

如何理解“表面能”呢？

比如，你把一塊巧克力掰成了兩半，巧克力發(fā)生的變化僅僅是增加了兩個表面，而你掰的過程必須消耗掉能量 E，因此每個表面的表面能就是 E/2。

所以，表面能代表的是巧克力與空氣的差異；同理，所謂“界面能”，就是表征界面兩側兩種物質的差異，差異越大，界面能越大。

表面張力——減少表面能的努力

自然界的大道之一，就是“最小能量原理”。一個液滴，會自發(fā)地尋找能量最小的形狀，這里的能量就是表面能，而在表面上的作用力就是表面張力。

太空無重力下的汞滴，會自發(fā)形成一顆完美的圓球；空中漂浮的肥皂泡，也會自發(fā)地形成一個個球形薄膜——

因為，在相同體積的物體中，球的表面積是最小的，物質會自發(fā)地趨向于表面積最小。

這是因為，表面能 正比于 面積。

下面咱們展開來看一看這其中的關系。

單位中蘊含重要原理

表面張力的單位為【N/m】，經過換算，我們發(fā)現(xiàn)【N/m】=【J/m^2】。

從這個等價單位可以看出，表面張力其實是“單位面積上的能量”。即：

表面張力 = 表面能密度

這樣，我們就更容易理解公式——

表面能[J] = 表面張力[N/m] × 面積[m^2]

其實就是——

表面能[J] = 表面能密度[J/m^2] × 面積[m^2]

以上其實是“量綱分析”的一種典型應用，為了簡單，采用“單位”的方式敘述，其實道理是一樣的。

拓展：壓強就是壓力能密度

由以上分析，我們可以想到，壓強的單位——

【Pa】=【N/m^2】=【J/m^3】

是否有所啟發(fā)？

是的。壓強，其實就是壓力能（儲存于三維體）的密度。

對應的，表面張力，是表面能（儲存于二維面）的密度。

還記得流體力學中的"靜力學方程"嗎——

其實就是單位體積的能量守恒——動能+重力勢能+壓力能 為常量。

對流體力學感興趣的同學可移步——

專欄

理解學科真諦之——流體力學

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再拓展：表面張力是強度量

物理量分兩類：強度量（intensive quantity）與廣延量（extensive quantity）。

強度量是指與體系質量無關的量，如應力、壓強、密度、溫度、比熱、表面能密度（表面張力）等。

廣延量就是與體系質量成正比的量，如體積、內能、面積、質量、熵、電量、表面能等。

換種思考，強度量不具有可加性，廣延量具有可加性。

比如說，溫度加溫度是什么？沒有物理意義呀。

兩者的關系是——

廣延量 = 強度量 × 體系的量

需要提醒的是，我們已經知道——

表面能密度[J/m^2] = 表面張力[N/m]

表面能[J] = 表面張力[N/m] × 面積[m^2]

不過，大量的中文文獻和書籍中，經常用“表面能”來代替“表面能密度”，閱讀時需要注意。

壓強與表面張力的關系

先做一個小實驗：咱們拿一個"鐵絲圓環(huán)"，從肥皂水里蘸一下，取出后會形成一個非常平整的薄膜。（這是因為肥皂膜自發(fā)地追求表面/表面能最小）

這時，咱們在一側吹氣（相當于施加了一個壓強），平整的薄膜就發(fā)生“彎曲”——

事實上，彎曲的表面 與 壓強 最終達到平衡。

那么，咱們列一下平衡方程吧（假設壓強均勻、薄膜為球面）——關注黑色圓平面：

表面張力 × 圓周長 = 壓強 × 圓面積

從前面的量綱分析中，我們也看到該公式的合理性，寫成單位形式——

[N/m] × [m] = [N/m^2] × [m^2]

公式化簡，得到——

p = 2γ/R

這就是標準的球曲面下，壓強與表面張力的關系。

這個公式也是【楊-拉普拉斯方程】的一種簡單的形式。

還有更簡單的形式

楊-拉普拉斯方程還有更簡單的形式，這里需要我們了解一點關于曲率的概論。

中學時我們學過，曲率κ定義為半徑的倒數(shù)，即：κ = 1/R。

這其實是二維下的特殊情況。

對于三維曲面，曲率等于任意兩個垂直方向上的曲率之和——

顯然，標準球曲面的曲率 κ = 2/R。

下面不用我說大家也知道如何化簡了——

p = γ·κ

這里的p，可以理解為由于表面的出現(xiàn)，而產生的“附加壓強”，這個壓強的大小與正負，與曲率直接相關。

如下圖，無論是液體中的氣泡，還是氣體中的液滴，只要是球內的部分，壓強就要比球外大，這是由于曲率的正負決定的。

這里科技千里眼奉送一個自己做的仿真計算——液滴在表面張力作用下的變形，我們看到，藍色部分為負曲率，因此壓強為負，而紅色部分為正曲率，因此壓強為正，液體會從正壓強流向負壓強，這也是表面張力影響下流體變形的基本原理。

由公式 p = γ·κ 想到的

液滴（氣泡）半徑越小，壓強越大，它向周邊溶解氣體的速率就越快；歷經一段時間后，小氣泡會逐漸消失，聚集成大氣泡，這是氣泡的【演變動力學】——

有沒有這種情況，就是液滴（氣泡）半徑無限小，那么，我們是不是創(chuàng)造了一個無限大的壓強呢？

比如，當液滴（氣泡）剛剛形成時，不就是這種情況嗎？

但是，我們也知道，自然界是不會存在無限大的壓強的。這是怎么回事呢？

原來，液滴或氣泡的形成，是需要一個微小的異物（核）的，一般是灰塵；如果水凝聚在灰塵顆粒上，液滴就能夠長大。

對于氣泡來說，也類似，一些碳酸飲料中，氣體的胚胎殘留在瓶壁上的某些位置，這些位置正是極微小的凸凹不平處，它們使得氣泡不斷長大。