表面張力（surfacetension）是指液體內部分子與分子之間的引力作用，使得液體的自由表面存在一個向內收縮的趨勢，因此會在兩不兼容的液體界面或液體與氣體間的界面形成薄膜，而造成此能力的液體性質就是表面張力。由于表面張力僅在液體自由表面或兩種不能混合的液體之間的界面處存在，一般用表面張力系數σ來衡量其大小。σ表示表面上單位長度所受拉力的數值，單位為牛頓/米（N/m）。
表面張力的概念最早是在1751年由匈牙利物理學家錫格涅（Jan Andrej Segner）提出，1805年，英國科學家托馬斯·楊（Thomas Young）在研究潤濕和毛細現象時描述了界面張力和接觸角的定量關系，同年和法國科學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）通過研究表明肥皂泡保持球形而不破裂的關鍵在于其表面張力，之后西莫恩·泊松（Simeon-Denis Poisson）于1830年、約瑟夫·普拉泰奧于1842年到1868年都對表面張力的理論研究做出了重要的貢獻。表面張力的數值大小主要與物質的本性、接觸相的組成及溫度、壓力有關， 溫度升高會降低分子間的凈吸引力，從而降低表面張力。其測量方法主要包括毛細管法、滴重法、滴體積法、吊環法和最大泡壓法等。
在工業生產和日常生活中，表面張力的應用廣泛存在。在工業技術上，如結晶、焊接、浮選技術、液體輸送技術、電鍍技術、鑄造成形等方面都涉及對液體表面張力的應用；表面張力能夠解釋涉及液體表面的許多日常生活中的現象，如毛細現象、泡沫形成、噴液成霧等；動植物體內液體的運動與平衡、土壤中水的運動、藥物制備及調制技術等都與液體的表面張力有關。
定義
基本定義
液體具有內聚性和吸附性，這兩者都是分子引力的表現形式。內聚性使液體能抵抗拉伸引力，而吸附性則使液體可以黏附在其他物體上面。
在液體和氣體的分界處，即液體表面及兩種不能混合的液體之間的界面處，由于分子之間的吸引力，產生了極其微小的拉力。假想在表面處存在一個薄膜層，它承受著此表面的拉伸力，液體的這一拉力稱為表面張力。
表面張力系數
表面張力一般用表面張力系數表示。表面張力系數為任一單位長度上的收縮表面的力，也常稱為表面張力。它和液體表面相切且垂直于液體邊界。它是液體的基本性質之一，以牛頓／米（N/m）為單位。
一定成分的液體，在一定的溫度下有一定的表面張力系數值。不同的液體，值是不同的。一般液體的值隨溫度上升而下降；少數金屬熔融液體（銅、鎘）的表面張力系數隨溫度上升而增高。容易揮發的液體，表面張力系數更小，含有雜質的值也小。水的表面張力系數為72.8mN/m(20℃)，已知的有機液體表面張力系數都小于水，含氮、氧等元素的有機液體的表面張力系數較大，含F、Si的液體表面張力系數最小。
在室溫（20℃左右）下，大部分液體的表面張力在20~40達因/厘米范圍以內，但也有大于此數的，如水的表面張力為72達因/厘米；汞表面張力為470達因/厘米。液態金屬的表面張力都比較大，如1131℃液態銅的表面張力為1103達因/厘米。
計算公式
從界面力平衡的觀點中可推得，表面薄膜內外壓力差造成的作用力等于薄膜表面張力形成的作用力，如果要求出表面張力的大小，可在液體表面上畫出一個任意的面積元。設此面積元每個邊長都是，表面其他部分垂直作用在每一邊上的張力為，于是表面張力為：
其量綱是，單位是牛頓/米。
相關現象
在日常生活中會看到水滴懸掛在墻壁、天花板或水龍頭出口上；一滴汞會形成一個近乎完美的球形，像鋼球一樣在光滑表面上滾動；雨水或露水會形成水珠掛在樹枝或樹葉上；飄在空氣中的肥皂泡幾乎是球形的；花瓣上的水會形成一顆顆小水珠；針會浮在水銀面上以及一些小昆蟲能夠自由地在水面行走，這些現象都是表面張力的體現。
表面張力產生的一個重要現象是毛細現象。毛細現象是毛細管中由于液體表面對固體表面的吸引力作用發生的現象。毛細管插入浸潤液體中，管內液面上升，高于管外；毛細管插入不浸潤液體中，管內液體下降，低于管外。自然界中，植物莖內有大量的纖維導管，通過這些導管植物可以從土壤中汲取需要的水分，以及煤油燈的煤油沿著插入油罐的棉芯上升，利用的就是毛細現象。
研究歷史
表面張力的概念最早是在1751年由匈牙利物理學家錫格涅提出，1804年，英國科學家托馬斯·楊解釋說，水與玻璃之間的吸引力非常大，甚至于水能沿著細玻璃管壁緩慢爬升，從而產生一種獨特的凹液面（向下彎曲的上表面），這種現象就是毛細作用。與此相反，汞能夠形成凸液面（向上凸起的上表面），因為水銀原子之間的吸引力比玻璃與水銀原子之間的吸引力要大得多。
1805年，托馬斯·楊在研究潤濕和毛細現象時描述了界面張力和接觸角的定量關系，兩百多年來，楊氏方程已成為潤濕領域最基本的理論之一。同年，托馬斯·楊和法國科學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯通過研究表明肥皂泡保持球形而不破裂的關鍵在于其表面張力，任何球形結構（如肥皂泡或肺泡）都受一個簡潔的物理定律約束。該定律指出，施加在球體上的壓力與球體表面的張力成正比，與球體的半徑成反比。
之后西莫恩·德尼·泊松于1830年、約瑟夫·普拉泰奧于1842年到1868年都對表面張力的理論研究做出了重要的貢獻。
形成機理
表面張力的產生表面張力是由物質表面（界面）上的質點因受力不均所造成的。如下圖所示，比較液體內的分子A和液面分子B的受力情況，以分子力的有效力程為半徑作以分子A為中心的球面，則所有對分子A有作用的分子都在球面之內。選取一段較長的時間T（是分子兩次碰撞之間的平均時間），由于對稱，在這段時間內，各個分子對A的作用力的合力等于零。以分子B為中心的球面中的一部分在液體當中，另一部分在液面之外，這部分分子密度遠小于液體部分的分子密度。如果忽略這部分分子對B的作用，則由于對稱，和之間所有分子作用力的合力等于零；對B有效的作用力是由球面內以下的全體分子產生的向下合力。由于處在邊界內的每—個分子都受到指向液體內部的合力，所以這些分子都有向液體內部下降的趨勢，同時分子與分子之間還有側面的吸引力，即有盡量收縮表面的趨勢。這種情況使流體的表面好似存在一層彈性薄膜。
測量方法
毛細管法
這是測定表面張力的經典方法，是根據Laplace方程曲率半徑與表面張力的關系求得的，測量裝置下圖所示。
設毛細管的半徑為R，液體在管內因表面張力而呈彎曲面的半徑為r，管內上升液面高度為h，接觸角為，曲面內外壓力差為，則有如下關系：
合并以上兩式得：
如果毛細管很細，則可假設，于是。此時接觸角為零，即液體完全潤濕管壁。這樣，如液體密度、毛細管半徑為已知并測得液體在毛細管中的上升高度，就可求出液-氣間的表面張力。
應用此法可以精確測定液體表面張力。但必須使管壁完全被潤濕，即毛細管非常清潔以使接觸角接近于零。如果，則應加校正系數。此外，毛細管的管徑必須上下均勻，截面積均勻一致為圓形。測定時必須垂直于液面，其高度h應用水平望遠鏡精密測量，否則就不易獲得精確的結果。
滴重法和滴體積法
如下圖所示，當液體受重力作用，從垂直安放的毛細管滴落時，液滴在毛細管口受到重力和液滴彎曲液面附加壓力的作用，附加壓力與表面張力成正比，與液滴的曲率半徑成反比，兩個力的作用方向相反。表面張力越大，附加壓力就越大，液滴的重量就越大。重力與附加壓力相等時液滴開始下落，這時表面張力與液滴質量、毛細管半徑的關系為：
式中：所為液滴的質量；r為毛細管半徑；g為重力加速度；為表面張力。
也可通過一定體積溶液通過毛細管滴下時的液滴數，計算液滴的平均體積V，為純水液滴的平均體積，通過平均體積計算表面張力（滴體積法）。
吊環法和吊板法
將一個圓環置于液面上，通過測量將環拉離液面所需的最大的力和環的周長，計算表面張力，如下圖（a）所示，即：
式中：f和r分別是作用在吊環上的拉力和吊環的半徑。如果用吊板替代吊環，見下圖（b）所示，則表面張力本表示為：
式中：L為吊板的寬度。
最大泡壓法
裝置如下圖所示，將待測表面張力的液體裝入表面張力儀B中，使毛細管的端面與液面相切，液面即沿毛細管上升，當用排水管A減壓時，排水時液面上壓力逐漸減少，在大氣壓力作用下毛細管中的氣液表面逐漸被壓至管口并形成氣泡，當氣泡曲率半徑最小（等于毛細管半徑r）時，對應的平衡壓力最大。
這時平衡壓力與表面張力、氣泡的曲率半徑的關系為：
式中：和分別為大氣壓和平衡壓力；為表面張力；r為曲率半徑。r的測量比較困難，可通過用同一毛細管分別測量已知表面張力（）和待測表面張力（）溶液的，獲取待測溶液表面張力。即
不同溫度下水的表面張力可由手冊查得（20°C和25°C時分別為）。
躺滴法
液滴躺在固體表面時具有一定的幾何形狀，如下圖所示，液滴外形可攝像放大，并測量其尺寸。不同形狀的液滴外形，可用Bashforth-Adams表上的值表征之，實驗外形直徑與理論外形直徑內插一致，以確定描述實驗表面的值后，就可求出最大曲率半徑b值，由此按下式求取值：
式中，為密度差，g為重力加速度，b為最大曲率半徑。
影響因素
表面張力是物質界面的一種特性，是系統的強度性質。它反映了物質分子相互作用力大小，其數值主要與物質的本性、接觸相的組成及溫度、壓力有關。另外雜質也會明顯地改變液體的表面張力，比如潔凈的水有很大的表面張力，而沾有肥皂液的水的表面張力就比較小。
分子間作用力
表面張力與物質本身種類有關。液體或固體本體中的分子間的相互作用力越大，表面張力越大。
同一種物質與不同性質的其他物質相相接觸時，界面層中分子所處力場則不同，導致表面（或界面）張力出現明顯差異。一般液-液界面張力小于該兩種液體中表面張力較大者，如下表所示。
溫度
同一種物質的表面張力通常隨溫度的升高而降低。這是因為溫度升高時，體積膨脹導致分子間的距離增加，分子間的相互作用力減弱，所以表面張力減小。液體的表面張力受溫度的影響較大，且表面張力隨溫度的升高近似地線性下降。當趨于臨界溫度時，液體與它的飽和蒸氣的狀態趨于一致，相界面趨于消失，表面張力趨于零。
純液體表面張力隨溫度T的變化關系可用如下經驗式表示：
式中：為的臨界溫度；為與液體性質有關的經驗常數，絕大多數液體的n大于1。下表給出了一些液體在不同溫度下的表面張力。
壓力
壓力對表面張力影響的原因比較復雜。增加氣相的壓力，可使氣相的密度增加，減小液體表面分子的不對稱程度；此外可使氣體分子更多地溶于液體，改變液相成分。這些因素的綜合效應，一般是導致表面張力下降。通常每增加1MPa的壓力，表面張力降低1mN/m。例如在293K，101.3kPa下時，水的為，當壓力增加到時為。
應用
工業
表面張力系數與液體中的雜質有關，加入雜質可使液體表面張力系數增大或減小。這被利用在冶金工業中，在金屬中加入一些雜質，可使減小而令表面光滑，例如在鋼液結晶時加入少量的硼，可以促使液態金屬加快結晶的速度。
在焊接過程中，焊料的表面張力是不利于焊接的一個重要因素。焊接時，焊料基本處于液態，而元件管腳或焊盤則為固態，當兩種物質接觸時，液態物質表面張力的作用，會直接造成兩種物質接觸界面的減小，這種現象的存在影響合金形成的面積、體積或形狀，這時需要助焊劑中表面活性劑的作用。表面活性劑通常指在極低的濃度下，能夠顯著降低其他物質表面張力的一種物質。助焊劑中表面活性劑的添加量很小，但作用卻很關鍵，它能夠保證錫液在被焊接物表面順利擴展、流動、浸潤等。
潤濕與不潤濕的原理被應用在“浮游選礦”中。將不純的礦物碾碎，加水成泥漿，然后加入某種能潤濕所要礦砂的油藥，有用的礦砂潤濕而包上了一層油膜，浮于泥漿上面，其它泥沙不潤濕而仍沉于漿中，這樣就能收集到礦物含量較高的產品。
日常生活
表面張力的應用在日常生活中也隨處可見：通常衣服上的臟物表面張力大，不溶于水，洗衣粉因帶有表面活性劑能使它的表面張力減小，從而溶于水，這樣把臟物從衣服上洗掉；表面張力的大小對于打印機墨盒和噴頭中墨滴的大小以及墨水的流動也是非常重要的，墨水在打印狀態中以流動形式存在，表面張力低的墨水比表面張力高的墨水有更好的潤濕特性。
染整加工要使用大量的水作為中間載體和染化料的溶劑。由于水存在較大的表面張力，它會妨礙水及染化料向纖維內部的滲透、擴散，影響染整加工過程的順利進行。因此，必須采取措施來降低或消除水溶液的表面張力，保證染整加工過程正常進行。而降低水溶液表面張力的理想方法，就是在染整工作液中合理使用表面活性劑。
農業
農民在播種后要夯實土地，為的是讓土地中的毛細管更細并相互連接，讓水分充分地滋潤種子；種子生根發芽長成莊稼后，則要松土，為的是切斷毛細管，使水分保留在根部，不致大量升至土地表面而蒸發掉。
其他
表面張力在生物學、醫學及微循環系統中也有著廣泛的應用。我們知道，包括人在內的許多動物都是靠肺呼吸的。在肺中，有數以億計的肺泡（肺泡平均直徑約為0.1 mm）完成呼吸功能。肺泡間布滿了毛細血管，空氣中的氧氣和血液中的二氧化碳在這里進行交換。肺泡內的黏液層以單分子層覆蓋于肺泡內壁，它是一種表面活性物質，具有調節肺泡內壁液層表面張力的作用。肺泡內壁黏液層中的表面活性物質對于表面張力的調節作用在呼吸過程中具有重要意義，它不會使肺泡脹破或萎縮。檢測到肺泡液體的表面張力系數就可以確定活性物質的活性強度大小，對相關疾病進行診斷。
參考資料 >
[科普中國]-表面張力.科普中國網.2024-03-13
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