表面張力的現象與成因

表面張力 (Surface Tension) 的現象與成因
台中縣常春藤高級中學李品慧教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

表面張力是使液體表面像一張薄板的特性，因此昆蟲可以在水面上行走，也使得小物體，甚至金屬如針頭，刀片，或錫箔碎片，可以漂浮於水面上，另外，它也是毛細現象的成因。

如果不考慮表面張力，將無法解釋許多物理和化學液體的特性，它控制小質量液體可以產生的形狀，以及液體與另一物質之間的接觸角。

應用牛頓物理學來分析表面張力所造成的力，可精確地預測許多人們司空見慣的液體特性，此外，也可應用熱力學分析相同的力，更進一步地預測液體其他更細微的特性。

表面張力的成因為液體分子與其他不同分子間的吸引力。液體內部，每個分子被各方向的鄰近分子以同樣大小的力吸引著，因此淨力為零；然而在液體表面，液體分子被下方的液體分子拉向內，但沒有被其他鄰近介質（可能為真空、空氣或其他液體）拉緊，因此所有表面的分子主要皆受到向內的吸引力，唯一能抗衡的只有壓縮液體時產生的阻力，此向內的拉力削減表面積，使液體的表面就像拉長的彈性膜，而液體盡可能地拉緊自身直到擁有最小表面積。

另一種說法為，與鄰近分子接觸的分子能量狀態低於未與鄰近分子接觸的分子，鄰界的分子比起內部分子擁有較少的鄰近分子，因此處於較高的能量狀態，為了降低能量狀態，液體必須減少表面積以減少鄰界分子。_[1][2]

液體的表面會盡量呈現最平滑的形狀以達到表面積最小化（數學上證明，依據歐拉-拉格朗日方程式，平滑曲線可將表面積最小化），任何彎曲的表面會產生較大的表面積而有更高的能量，因此表面會將其推回以減少彎曲，就像被推上山的球會被推回以減少重力位能。

參考資料

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension

參考書目

[1]Pierre-Gilles de Gennes, Françoise Brochard-Wyart, David Quéré (2002). Capillary and Wetting Phenomena — Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Springer. ISBN 0-387-00592-7.
[2] White, Harvey E. (1948). Modern College Physics. van Nostrand. ISBN 0442294018.