今天咱們一同進入一個新的領域——【表麵與界麵物理力學】。

那麽就從粉色视频网站最常聽說的名詞——“表麵張力”入手吧。

先來點準備知識——

表麵與界麵

表麵（surface）是指【凝聚相】與【氣體/真空】之間的分界麵。

界麵（interface）是指【凝聚相】與【凝聚相】之間的分界麵。

凝聚相，可以理解為“固相+液相”。

表麵能——形成表麵的代價

分子在材料的本體（bulk）中，四麵八方都有其它的小夥伴，形成均勻的作用力和距離。

但是，表麵的出現，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，這使得表麵上的分子“很不安分”，產生了額外的能量——表麵能。

如何理解“表麵能”呢？

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

所以，表麵能代表的是巧克力與空氣的差異；同理，所謂“界麵能”，就是表征界麵兩側兩種物質的差異，差異越大，界麵能越大。

表麵張力——減少表麵能的努力

自然界的大道之一，就是“最小能量原理”。一個液滴，會自發地尋找能量最小的形狀，這裏的能量就是表麵能，而在表麵上的作用力就是表麵張力。

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

因為，在相同體積的物體中，球的表麵積是最小的，物質會自發地趨向於表麵積最小。

這是因為，表麵能正比於麵積。

下麵咱們展開來看一看這其中的關係。

單位中蘊含重要原理

表麵張力的單位為【N/m】，經過換算，粉色视频网站發現【N/m】=【J/m^2】。

從這個等價單位可以看出，表麵張力其實是“單位麵積上的能量”。即：

表麵張力=表麵能密度

這樣，粉色视频网站就更容易理解公式——

表麵能[J]=表麵張力[N/m]×麵積[m^2]

其實就是——

表麵能[J]=表麵能密度[J/m^2]×麵積[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，粉色视频网站可以想到，壓強的單位——

【Pa】=【N/m^2】=【J/m^3】

是否有所啟發？

是的。壓強，其實就是壓力能（儲存於三維體）的密度。

對應的，表麵張力，是表麵能（儲存於二維麵）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。

再拓展：表麵張力是強度量

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

強度量是指與體係質量無關的量，如應力、壓強、密度、溫度、比熱、表麵能密度（表麵張力）等。

廣延量就是與體係質量成正比的量，如體積、內能、麵積、質量、熵、電量、表麵能等。

換種思考，強度量不具有可加性，廣延量具有可加性。

比如說，溫度加溫度是什麽？沒有物理意義呀。

兩者的關係是——

廣延量=強度量×體係的量

需要提醒的是，粉色视频网站已經知道——

表麵能密度[J/m^2]=表麵張力[N/m]

表麵能[J]=表麵張力[N/m]×麵積[m^2]

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

壓強與表麵張力的關係

先做一個小實驗：咱們拿一個"鐵絲圓環"，從肥皂水裏蘸一下，取出後會形成一個非常平整的薄膜。（這是因為肥皂膜自發地追求表麵/表麵能最小）

這時，咱們在一側吹氣（相當於施加了一個壓強），平整的薄膜就發生“彎曲”——

事實上，彎曲的表麵與壓強最終達到平衡。

那麽，咱們列一下平衡方程吧（假設壓強均勻、薄膜為球麵）——關注黑色圓平麵：

表麵張力×圓周長=壓強×圓麵積

從前麵的量綱分析中，粉色视频网站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

這就是標準的球曲麵下，壓強與表麵張力的關係。

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，這裏需要粉色视频网站了解一點關於曲率的概論。

中學時粉色视频网站學過，曲率κ定義為半徑的倒數，即：κ=1/R。

這其實是二維下的特殊情況。

對於三維曲麵，曲率等於任意兩個垂直方向上的曲率之和——

顯然，標準球曲麵的曲率κ=2/R。

下麵不用我說大家也知道如何化簡了——

p=γ·κ

這裏的p，可以理解為由於表麵的出現，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，隻要是球內的部分，壓強就要比球外大，這是由於曲率的正負決定的。

這裏科技千裏眼奉送一個自己做的仿真計算——液滴在表麵張力作用下的變形，粉色视频网站看到，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，這也是表麵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；曆經一段時間後，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，那麽，粉色视频网站是不是創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，粉色视频网站也知道，自然界是不會存在無限大的壓強的。這是怎麽回事呢？

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。

對於氣泡來說，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。